УСТАНОВКА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОДОМАСЛЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ Российский патент 2002 года по МПК B01D17/22 

Изобретение относится к области разделения водомасляных эмульсий, а именно разделения на составляющие компоненты эмульсий, в которых в качестве дисперсной фазы присутствует нефть или любые другие нефтепродукты (масла, бензин, мазут, дизтопливо и пр.), и касается способа разделения водомасляных эмульсий и установки для его осуществления.

Оно может быть использовано для очистки и утилизации промышленных и сточных вод, содержащих значительное количество нефтепродуктов для их выделения и дальнейшей переработки, и, в частности, для очистки сбросовых вод, предназначенных для оборотного использования, содержащих эмульгированные нефтепродукты, механические примеси и поверхностно-активные вещества.

Нефтесодержащие промышленные и сточные воды, подлежащие очистке для дальнейшего использования в оборотном водоснабжении, в огромном количестве производят предприятия нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, других отраслей народного хозяйства, транспорта и автосервиса. Как правило, все нефтесодержащие промышленные стоки, прошедшие технологический цикл, содержат некоторое количество механических примесей и поверхностно-активных веществ, что весьма затрудняет процесс их разделения всеми известными методами.

Широко известен способ разделения водомасляных эмульсий из несмешивающихся жидкостей, заключающийся в коалесценции эмульгированных нефтепродуктов на олеофильных частицах коалесцирующего материала, при этом скоалесцированная дисперсная фаза собирается в верхней части объема разделяемой эмульсии и затем выводится.

Известно также устройство для осуществления этого способа (пат. США N 5229015), содержащее корпус, выполненный в виде горизонтально расположенного цилиндра, входные и выходные патрубки для ввода эмульсии и вывода очищенной воды и отделенной дисперсной фазы. Забор очищенной воды осуществляется из нижней части корпуса с помощью дренажной трубы. Корпус заполнен хаотически уложенными частицами коалесцирующиего материала, выполненного из олеофильного полимера в виде полых цилиндров с прорезями. Разделяемая эмульсия подается в горизонтальном направлении под напором на боковую стенку корпуса и распределяется по всему его объему, омывая коалесцирующий материал. При этом скоалесцированные капли дисперсной фазы всплывают по межпоровым каналам под действием сил гравитации. Механические примеси задерживаются на фильтре, установленном на входе эмульсии в корпус.

Однако вышеописанный способ и конструкция установки не обеспечивают достаточно высокую степень очистки, кроме того, необходимо прерывание технологического цикла для замены фильтрующего элемента, а также не предусмотрено отделение поверхностно-активных веществ.

Известен другой способ разделения водомасляных эмульсий (см. патент ФРГ N DE 334693 А1), заключающийся в коалесценции дисперсной фазы на гранулированном коалесцирующем материале, выполненном из олеофильного термопласта с положительной плавучестью (легче воды), причем разделяемую эмульсию пропускают через слой коалесцирующего материала в направлении снизу вверх с очень небольшой скоростью потока, и время контакта с олеофильной поверхностью составляет от 5 до 15 мин. Разделение происходит в несколько стадий. Эмульсия проходит последовательно несколько установленных друг за другом коалесцирующих камер, после чего скоалесцированные нефтепродукты выводят, а вода с сохранившимися остатками масла проходит последующие стадии очистки.

Установка, предназначенная для осуществления этого способа, представляет собой цилиндрический корпус с патрубком для ввода эмульсии, расположенным в верхней части боковой стенки корпуса, и выходными патрубками для вывода воды и масла, расположенными по центру соответственно внизу и вверху. В корпусе расположена коалесцирующая камера, заполненная гранулированным коалесцирующим материалом из олеофильного термопласта. Патрубок для вывода очищенной воды соединен с центральной трубой, другой конец которой заканчивается воронкой и размещен в отстойной камере, выполненной в виде конуса, размещенного над коалесцирующей камерой и отделенного от нее решеткой.

Однако при таком способе разделения водомасляных эмульсий не достигается достаточно высокая степень очистки воды за одну стадию обработки, а также не предусмотрено отделение механических примесей, что приводит к быстрому загрязнению коалесцирующего материала и резкому возрастанию гидродинамического сопротивления установки. При этом требуется его периодическая регенерация.

Для достижения высокой степени очистки воды вышеописанным способом требуется установить несколько последовательно расположенных коалесцирующих камер. Это повышает трудоемкость обслуживания, конструкция становится громоздкой и требует больших производственных площадей. Кроме того, не предусмотрено отделение поверхностно-активных веществ, присутствующих в эмульсии.

Задачей настоящего изобретения является разработка такого способа разделения водомасляных эмульсий, при котором, помимо выделения дисперсной фазы, происходило бы отделение механических примесей и поверхностно-активных веществ, а также создание компактной установки для его осуществления, простой в эксплуатации, работающей в непрерывном режиме, не требующей периодической регенерации коалесцирующего материала.

Эта задача решается тем, что в способе разделения водомасляной эмульсии, заключающемся в коалесценции дисперсной фазы на олеофильном коалесцирующем материале с последующим ее отделением, согласно изобретению коалесценцию дисперсной фазы осуществляют путем последовательного пропускания потока водомасляной эмульсии через слой олеофильного гранулированного материала с отрицательной плавучестью, а затем через слой олеофильного гранулированного материала с положительной плавучестью и скоалесцинированную дисперсную фазу отделяют от дисперсной среды на уровне границы их раздела.

Это позволяет быстро и качественно разделить водомасляные эмульсии на две фазы.

Целесообразно после прохождения разделяемой эмульсией слоя олеофильного коалесцирующего материала с отрицательной плавучестью поток водомасляной эмульсии направить с восходящего на нисходящий, причем изменение направления его движения следует осуществить на уровне границы разделения фаз.

Это дает возможность избежать проникновения мелкодисперсных частиц дисперсной фазы в поток очищаемой воды, задерживая их в слое нефтепродукта, расположенного над границей раздела фаз.

Рационально сначала разделяемую водомасляную эмульсию очистить от механических примесей.

При наличии в разделяемой эмульсии поверхностно-активных веществ через слой гранулированного коалесцирующего материала пропустить сжатый воздух, а вспененный слой вывести.

Возможно осуществить дополнительную тонкую очистку дисперсной среды от остатков дисперсной фазы путем последовательного пропускания ее через слой гидрофильного волокнистого материала, пропитанного чистой дисперсной средой, а затем через слой активированного угля.

Эта задача решается также тем, что в установке для разделения водомасляной эмульсии, содержащей корпус с входными и выходными патрубками, в котором размещается коалесцирующая камера, заполненная гранулированным коалесцирующим материалом, соединенная в верхней части посредством центральной трубы с отстойной камерой, согласно изобретению коалесцирующая камера заполнена олеофильным гранулированным материалом с отрицательной плавучестью, а отстойная камера заполнена олеофильным гранулированным материалом с положительной плавучестью; нижняя часть коалесцирующей камеры выполнена в виде гидроциклона, отделенного от самой камеры решеткой и снабженного патрубками для ввода водомасляной эмульсии и промывной воды и вывода механических примесей, причем вторая решетка установлена в отстойной камере на уровне границы раздела фаз, а выходной патрубок для вывода очищенной воды соединен с трубой, верхний конец которой расположен на уровне границы раздела.

Это обеспечивает непрерывный режим работы установки, не требующей периодической регенерации и загрузки коалесцирующего материала.

Целесообразно верхнюю часть камеры заключить в рубашку для сбора вспененных поверхностно-активных веществ, сообщающуюся с отстойной камерой посредством зазора и снабженную входными патрубками для подачи пеногасителя, а также патрубками для ввода и вывода промывной воды.

Корпус целесообразно снабдить, по меньшей мере, двумя камерами дополнительной тонкой очиски воды, расположить их последовательно одну за другой ниже отстойной камеры и разделить решеткой, причем первую камеру целесообразно заполнить гидрофильным волокнистым материалом, а вторую - активированным углем.

Это дает возможность добиться высокой степени очистки воды от нефтепродуктов, механических примесей и поверхностно-активных веществ и позволяет выделить диспергированный нефтепродукт для его дальнейшего использования и переработки.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг.1 схематично изображает общий вид установки для разделения водомасляных эмульсий (в разрезе) согласно изобретению;
фиг. 2 изображает общий вид установки по фиг.1 (в разрезе), снабженной гидроциклоном, отстойной камерой и камерами тонкой очистки воды, согласно изобретению;
фиг.3 изображает общий вид установки по фиг.2 (в разрезе), дополнительно снабженной накопителем для сбора вспененных поверхностно-активных веществ, согласно изобретению.

Патентуемый способ разделения водомасляных эмульсий включает в себя следующие операции:
- Отделение механических примесей.

Разделяемую эмульсию подают под напором, тангенциально к поверхности, что обеспечивает закручивание потока. При этом большая часть механических примесей опускается по винтовой траектории вниз, а закрученный поток разделяемой эмульсии поднимается вверх.

- Коалесценция дисперсной фазы на олеофильном гранулированном материале с отрицательной плавучестью.

Частица дисперсной фазы контактирует с поверхностью олеофильного гранулированного материала, смачивает его и за счет адгезионного взаимодействия образует на нем пленку. При этом гранула, выполненная из олеофильного полимерного материала с плотностью немногим больше единицы, покрытая тонкой пленкой скоалесцированной дисперсной фазы, изменяет свою плавучесть на положительную, т. к. суммарная плотность гранулы с пленкой масляной фазы становится меньше единицы и гранула всплывает. При этом траектория движения гранулы совпадает с направлением подъемной силы, обусловленной гравитацией. Происходит перенос пленки скоалесцированной дисперсной фазы к границе раздела фаз. Под действием потока и постепенного изменения плавучести гранулы всплывают и зависают, образуя подвижную, как бы "дышащую" пористую структуру, где поровые пространства заполняются скоалесцированной дисперсной фазой.

- Отделение дисперсной фазы нефтепродукта.

В верхней части коалесцирующей зоны происходит контакт гранул, покрытых тонкой пленкой скоалесцированной дисперсной фазы с гидрофобной полупроницаемой мембраной. При этом происходит соединение пленки нефтепродукта с гидрофобной поверхностью мембраны, расположенной на границе раздела фаз, и перенос содержимого пленки через мембрану в слой дисперсной фазы. Толщина слоя нефтепродукта увеличивается и избыток его выводится.

На границе раздела фаз поток разделяемой эмульсии меняет свое направление движения с восходящего на нисходящее и проходит через слой гранулированного коалесцирующего материала с положительной плавучестью сверху вниз противотоком. Нескоалесцированные частицы нефтепродуктов не уносятся потоком, а задерживаются в межпоровых пространствах легких гранул, коалесцируются на их поверхности и возвращаются к границе раздела фаз, где также соединяются с дисперсной фазой.

- Отделение пенистого слоя, содержащего поверхностно-активные вещества.

При наличии в разделяемой эмульсии поверхностно-активных веществ через слой коалесцирующего материала подают сжатый воздух. При этом происходит вспенивание эмульсии и на границе раздела фаз скапливается слой пузырьков. Коалесцируясь между собой, они образуют слой довольно устойчивой пены. В верхней части коалесцирующей зоны, где поток воды изменяет свое направление с восходящего на нисходящее, пена выдавливается гранулами и выводится.

- Первая стадия тонкой очистки воды заключается в том, что очищаемую воду пропускают через слой гидрофильного волокнистого материала, смоченного дисперсной средой, который в данном случае работает по мембранному принципу, пропуская только чистую воду и не пропуская мелкодисперсные частицы нефтепродукта.

- Вторая стадия тонкой очистки воды заключается в том, что очищаемую воду пропускают через слой сорбента, в данном случае активированного угля.

Далее способ разделения водомасляных эмульсий подробно описан на примере работы установки, осуществляющей заявляемый способ.

Патентуемая установка содержит цилиндрический корпус 1 (фиг.1) с крышкой 2, патрубком 3 и краном 4 для вывода очищенной воды и патрубком 5 с краном 6 для вывода нефтепродукта. Внутри корпуса 1 расположена центральная труба 7, расширяющаяся в нижней части и образующая коалесцирующую камеру 8. В верхней, средней и нижней части корпуса 1 последовательно расположены решетки 9, 10 и 11 (фиг. 2). Между решетками 9 и 10 расположена отстойная камера 12. Нижняя часть корпуса 1 представляет собой гидроциклон 13, отделенный решеткой 14 от коалесцирующей камеры 8. Гидроциклон 13 содержит цилиндрический накопитель 15 для механических примесей и выводящий патрубок 16 с краном 17, а также патрубок 18 для подачи промывной воды с краном 19. В гидроциклон 13 осуществляют подачу разделяемой эмульсии через патрубок 20 и кран 21.

Полость коалесцирующей камеры 8 заполняют расчетным количеством гранулированного зернистого коалесцирующего материала 22 с отрицательной плавучестью, выполненного из олеофильного полимера. Отстойную камеру 12 заполняют гранулированным зернистым коалесцирующим материалом 23 с положительной плавучестью, выполненного также из олеофильного полимера. Между решетками 10 и 11 расположена камера 32 первой ступени тонкой очистки воды, работающая по мембранному принципу и заполненная гидрофильным волокнистым материалом 33. Между решеткой 11 и решеткой 14 корпуса 1 расположена камера 34 второй ступени тонкой очистки воды, заполненная активированным углем 35.

Корпус 1 снабжен рубашкой 24 (фиг.3), расположенной с его наружной стороны между верхней 9 и средней 10 решетками и сообщающейся с отстойной камерой 12 через зазор 25. Рубашка 24 снабжена входным патрубком 26 с краном 27 для ввода промывной воды в рубашку 24, выходным патрубком 28 с краном 29 для вывода промывной воды, а также патрубком 30 с краном 31 для загрузки пеногасителя.

Подготовка установки к работе.

Перед началом работы при открытой крышке 2 (фиг.1) корпуса 1 и снятой решетке 9 через центральную трубу 7 внутреннюю полость коалесцирующей камеры 8 заполняют гранулированным коалесцирующим материалом 22 с отрицательной плавучестью, а затем внутреннюю полость отстойной камеры 12 заполняют коалесцирующим гранулированным материалом 23 с положительной плавучестью. После чего устанавливают решетку 9. Затем корпус 1 при открытом кране 4 и закрытых всех остальных кранах наполняют чистой водой до уровня решетки 9, а затем нефтепродуктом до слива из патрубка 5. При наличии в конструкциях камер тонкой очистки (фиг.2 и 3) при снятых решетках 10 и 11 камеру 34 тонкой очистки воды заполняют активированным углем. Устанавливают решетку 11. Камеру 32 тонкой очистки заполняют гидрофильным волокнистым фильтрующим материалом 33. Устанавливают решетку 10. Уровень чистой воды в камере 8 устанавливают до решетки 9. Затем пространство над решеткой 9 также заполняют расчетным количеством нефтепродукта до уровня слива из патрубка 5 при открытом кране 6. После чего крышку 2 закрывают. Установку подсоединяют к системе очистки (на фиг. не показана) через патрубок 20 и кран 21. В таком положении установка готова к работе.

Установка для разделения водомасляных эмульсий работает следующим образом (фиг.1, 2, 3).

Разделяемая эмульсия, содержащая эмульгированные частицы нефтепродукта, через патрубок 20 поступает в гидроциклон 13 корпуса 1 тангенциально, что обеспечивает закручивание потока. При этом большая часть механических примесей опускается по винтовой траектории на дно гидроциклона 13 и скапливается в накопителе 15.

Закрученный поток эмульсии поднимается вверх. Через решетку 14 эмульсия поступает в коалесцирующую камеру 8, заполненную гранулированным коалесцирующим материалом 22. Этот материал представляет собой гранулы, выполненные из олеофильного полимера с плотностью больше единицы.

В коалесцирующей камере 8 происходит адсорбция мелкодисперсных частиц нефтепродуктов поверхностью гранул, их коалесценция на олеофильной поверхности и формирование монослоя скоалесцированных частиц нефтепродукта. При этом суммарная плотность гранулы, покрытой тонким слоем нефтепродукта, становится меньше единицы. Гранула приобретает положительную плавучесть и всплывает вверх в потоке очищаемой воды.

Верхняя часть корпуса 1 между решетками 9 и 10 заполнена другим олеофильным гранулированным материалом с резко выраженной положительной плавучестью. В узкой части центральной трубы 7 скорость потока воды увеличивается и облегченные гранулы, увлекаемые потоком, поднимаются вверх, где сталкиваются с полупроницаемой гидрофобной решеткой 9. При этом происходит соединение слоя нефтепродукта, скоалесцированного на поверхности гранул, с гидрофобной поверхностью слоя 36 нефтепродукта, работающего в данном случае как полупроницаемая гидрофобная мембрана. Слой нефтепродукта, заполнивший межпоровые пространства верхнего слоя гранул, через решетку 9, расположенную на границе А-А раздела фаз, сливается со слоем 36 нефтепродукта. Избыток скопившегося нефтеродукта выливается через патрубок 5 и кран 6.

В отстойной камере 12 очищаемая вода, освободившаяся от скоалесцированных нефтепродуктов, меняет свое направление с восходящего на нисходящее. Если поступающая вода содержит некоторое количество поверхностно-активных веществ, то под действием поступающего снизу сжатого воздуха 37, 38 (фиг.3) происходит вспенивание смеси. Пена собирается на границе раздела фаз А-А. Коалесцируясь между собой, пузырьки укрупняются и выдавливаются всплывшими гранулами в накопитель 24 пены через зазор 25, через патрубок 30 и кран 31 подается пеногаситель, через патрубок 28 и кран 29 выводятся промывной водой, поступающей через патрубок 26 и кран 27.

Очищенная от механических примесей, эмульгированных нефтепродуктов и поверхностно-активных веществ вода на гидрофильной решетке 10 оставляет в отстойной зоне 12 мельчайшие нескоалесцированные частицы нефтепродуктов и проходит слой гидрофильного волокнистого материала 33, работающего по мембранному принципу. Смоченные чистой водой гидрофильные волокна 33 пропускают только чистую воду. Нефтепродукты остаются на границе раздела фаз, где подхваченные легкими гранулами в противотоке поднимаются к решетке 9 и, соприкасаясь со слоем нефтепродукта 36, сливаются с ним.

В камере 34 тонкой очистки вода проходит слой 35 активированного угля, где окончательно очищается от оставшихся растворенных нефтепродуктов и через трубу 3 выводится из установки.

Заявляемый способ разделения любых эмульсий, например водомасляных, позволяет быстро и эффективно осуществлять очистку промышленных и сточных вод от эмульгированных нефтепродуктов путем коалесценции на гранулированном олеофильном материале с последующим их отделением.

В отличие от установок адсорбционного типа в предлагаемой конструкции практически не происходит насыщения фильтрующего материала нефтепродуктами и механическими примесями и не требуется его частой регенерации. Ресурс работы коалесцирующего материала сводится к его устойчивости по отношению к воде и нефтепродуктам и практически неограничен.

Патентуемая установка может быть использована на нефтедобывающих объектах для отделения нефти из пластовых и подбалластных вод с любым содержанием в них нефти и соли.

Кроме того, ни в одной из известных конструкций не предусмотрено отделение вспененного слоя поверхностно-активных веществ, что характерно для сточных вод автосервиса.

Исключительным качеством патентуемой установки является и то, что разделение происходит в непрерывном режиме без значительных энергетических затрат. Установка компактна, в ней нет вращающихся и трущихся поверхностей, она проста в обслуживании и не требует высокой квалификации персонала.

ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ НА ФИГУРАХ
1 - корпус.

2 - крышка корпуса.

3 - труба для вывода очищенной воды.

4 - кран.

5 - патрубок для вывода нефтепродуктов.

6 - кран.

7 - центральная труба.

8 - коалесцирующая камера.

9, 10 и 11 - решетки.

12 - отстойная камера.

13 - гидроциклон.

14 - решетка.

15 - накопитель для механических примесей.

16 - отводящий патрубок для механических примесей.

17 - кран.

18 - патрубок для очищаемой воды.

19 - кран для очищаемой воды.

20 - входной патрубок для разделяемой эмульсии.

21 - кран.

22 - коалесцирующий материал с отрицательной плавучестью.

23 - коалесцирующий материал с положительной плавучестью.

24 - рубашка.

25 - зазор.

26, 27 - входной патрубок с краном для промывной воды.

28, 29 - выходной патрубок и кран для промывной воды.

30, 31 - патрубок и кран для загрузки пеногасителя.

32 - камера тонкой очистки мембранного типа.

33 - гидрофильный волокнистый материал.

34 - адсорбционная камера тонкой очистки.

35 - активированный уголь.

36 - слой нефтепродукта.

37 - патрубок с краном для подачи сжатого воздуха.

Установка относится к разделению водомасляных эмульсий и может использоваться для очистки промышленных и сточных вод. Установка содержит корпус с коалесцирующей камерой, заполненной гранулированным олеофильным материалом с переменной плавучестью, соединенной с отстойной камерой, заполненной гранулированным олеофильным материалом с положительной плавучестью, которая отделена решеткой от камер тонкой очистки. Нижняя часть коалесцирующей камеры выполнена в виде гидроциклона с входным патрубком для ввода эмульсии, а верхняя часть корпуса заключена в рубашку для сбора вспененных поверхностно-активных веществ. Технический результат состоит в обеспечении непрерывного отделения дисперсной фазы, механических примесей и ПАВ. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Установка для разделения водомасляной эмульсии, содержащая корпус (1) с входным (20) и выходным патрубками, в котором размещена коалесцирующая камера (8), заполненная гранулированным коалесцирующим материалом (22), соединенная в верхней части посредством центральной трубы (7) с отстойной камерой (12), отличающаяся тем, что нижняя часть коалесцирующей камеры (8) выполнена в виде гидроциклона (13), отделенного от самой камеры (12) решеткой (14) и снабженного патрубками (20 и 18) для ввода водомасляной эмульсии и промывной воды и для вывода (16) механических примесей, причем в отстойной камере (12) на уровне границы раздела фаз (А-А) установлена решетка (9), а выходной патрубок для вывода очищенной воды соединен с трубой (3), верхний конец которой также расположен на уровне границы раздела фаз (А-А); коалесцирующая камера (8) заполнена олеофильным гранулированным материалом (22) с переменной плавучестью, а отстойная камера (12) заполнена олеофильным гранулированным материалом (23) с положительной плавучестью. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что верхняя часть корпуса (1) заключена в рубашку (24) для сбора вспененных поверхностно-активных веществ, сообщающуюся с отстойной камерой (12) посредством зазора (25) и снабженную входным и выходным патрубками (26 и 28) для подачи и отвода промывной воды и патрубком (30) для загрузки пеногасителя. 3. Установка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что корпус (1) содержит, по меньшей мере, две камеры (32, 34) дополнительной тонкой очистки воды, расположенные последовательно одна за другой и разделенные решеткой (11), причем первая камера (32) заполнена гидрофильным волокнистым материалом (33), а вторая камера (34) - активированным углем (35).