СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕУСТОЙЧИВЫХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК B01D17/38 

Изобретение относится к области разделения неустойчивых дисперсных систем преимущественно для разделения разбавленных эмульсий, состоящих из двух несмешивающихся жидкостей с различной плотностью, и может найти применение в различных областях техники и охраны окружающей среды, например, для очистки маловязких нефтепродуктов от эмульгированной воды и механических примесей или для очистки воды от эмульгированных нефтепродуктов и механических примесей.

Известны способы и устройство для разделения эмульсий из несмешивающихся жидкостей, отличающихся по плотности, согласно которым производят подачу разделяемой эмульсии в слой легкой фазы определенной высоты с последующим гравитационным разделением на компоненты при прохождении смеси через емкость, разделенную секционирующими перегородками (US 1805991, кл. В 01 D 17/02, 1993 г.).

Недостаток известного технического решения состоит в том, что разделение может проводиться только при условии предварительного заполнения емкости разделенными компонентами, вторичное диспергирование за счет энергии потока при вводе эмульсии в емкость, в слой отделенного легкого компонента, недостаточная эффективность гравитационного разделения при движении потока через сепарационную емкость.

Известно устройство для разделения эмульсий из двух несмешивающихся жидкостей, различающихся по плотности, в котором предварительно разделяют эмульсии при воздействии центробежных сил, возникающих при закручивании потока, в коническом сепараторе, отводят разделенные фракции через нижний и верхний трубопроводы и раздельно вводят их в сепарационную емкость таким образом, что фракция, обогащенная легким компонентом, отводится в слой легкого компонента, а фракция, обогащенная тяжелым компонентом, - в слой тяжелого компонента. Дальнейшее разделение проводится под воздействием сил гравитации. Разделенные компоненты выводятся из сепарационной емкости через расположенные на разных уровнях патрубки (RU 1498533, кл. В 01 D 17/038, 1989 г.).

Недостатками известного технического решения являются высокая энергоемкость, связанная с необходимостью создания высокого напора разделяемой эмульсии для обеспечения ее интенсивного закручивания и транспортировки разделенных фаз по трубопроводам, вторичное диспергирование разделенных фаз за счет энергии потока при вводе в слой разделенных компонентов, а также малая интенсивность гравитационного разделения.

Известен способ разделения двух жидкостей с различной плотностью и устройство для его осуществления путем закручивания потока, разделения его на две фракции, различающиеся по содержанию компонентов. Фракцию, обогащенную легким компонентом, выводят из приосевой зоны вихря вверх в слой тяжелого компонента, находящегося в сепарационной емкости, через диспергирующее устройство. Фракцию, обогащенную тяжелым компонентом, отводят вниз из периферийной зоны вихря в слой тяжелого компонента, в придонную зону сепарационной емкости. В сепарационной емкости завершается процесс разделения за счет сил гравитации, и разделенные компоненты выводят из верхней и нижней зоны емкости.

Известное устройство включает сепарационную емкость с патрубками вывода разделенных компонентов в верхней и нижней ее частях. В слое тяжелого компонента указанной емкости размещен узел ввода разделяемой эмульсии, выполненный в виде центробежного сепаратора, имеющего вертикальный цилиндроконический корпус с тангенциальным входным патрубком. Верхний отвод потока, обогащенного легким компонентом, выполнен в виде расширяющейся вверх воронки с диспергирующим устройством. Нижний отвод потока, обогащенного тяжелым компонентом, выполнен в виде отверстия в нижней конической части корпуса (US 882549, кл. В 01 D 17/038, 1981 г.)
Недостатками данного способа и устройства являются ввод предварительно разделенных в центробежном поле фаз только в слой тяжелого компонента независимо от состава разделяемой эмульсии, необходимость создания в сепарационной емкости первоначального слоя тяжелого компонента такой высоты, чтобы узел ввода весь был погружен в этот слой, невысокая интенсивность гравитационного разделения.

Известен способ и устройство разделения неустойчивых эмульсий, заключающийся в том, что разделяемой эмульсии придают вращательное движение в виде вихря с вертикальной осью, разделяют ее за счет воздействия центробежных сил на две фракции. При этом фракцию, обогащенную легким компонентом, из осевой зоны вихря отводят вверх, а фракцию, обогащенную тяжелым компонентом, вниз, т.е. вводят их в сепарационную емкость двумя потоками, причем фракцию, обогащенную тяжелым компонентом, вводят в придонную зону емкости. Для осуществления данного способа предложено устройство, включающее сепарационную емкость с патрубками вывода фаз, размещенный в емкости узел ввода эмульсии, выполненный в виде центробежного сепаратора, имеющего вертикальный цилиндрический корпус с тангенциальным входным патрубком в средней части и отводами фаз в верхней и нижней частях, отличающееся тем, что оно снабжено вертикальными перегородками, разделяющими емкость на секции, первая секция отделена от последующей перегородками, одна из которых закреплена у верхнего края емкости, а другая присоединена к днищу с образованием в средней части емкости переточного канала, вторая секция отделена от последующей перегородкой, края которой расположены на расстоянии от верхнего края и днища емкости с образованием двух переточных каналов в верхней и нижней частях емкости, последующие секции образованы перегородками, установленными в чередующемся порядке, при этом верхние края перегородок, присоединенных к днищу, расположены выше нижних краев соседних перегородок, а верхние края перегородок, установленных на расстоянии от верхнего края и днища емкости, ступенчато понижаются к отводам фаз. Центробежный сепаратор размещен в первой секции, а его корпус выполнен с открытым верхним и нижним торцами, размещенными соответственно в верхней и придонной зонах емкости. Расстояние между перегородкой, прикрепленной к днищу, и последующей перегородкой в 1,5-3 раза больше, чем расстояние между перегородкой, прикрепленной к днищу, и предыдущей перегородкой (Патент Российской Федерации RU 2053008).

Недостатками данного способа разделения неустойчивых эмульсий и устройства для его осуществления является наличие в каждой секции сепарационной емкости, где осуществляется процесс гравитационного разделения эмульсии, застойных зон, которые снижают пропускную способность (производительность) устройства, затрудняют очистку и вывод из устройства оседающих частиц твердой фазы, что ведет к накоплению в устройстве твердого осадка и ухудшению качества разделяемых жидких фаз. Наиболее близким к заявляемому изобретению является опубликованная заявка на способ разделения неустойчивых эмульсий и устройство для его реализации (Заявка RU 98110305 А1, 27.02.2000 г.).

Данный способ, включающий процессы начальной центробежной и последующей гравитационной сепарации с движением предварительно разделенных жидкостей навстречу друг другу в вертикальном направлении с отводом фракции, обогащенной легким компонентом, вверх, тяжелым компонентом - вниз, отличается тем, что процесс первой ступени центробежной сепарации осуществляют при движении жидкостей снизу вверх, при этом производят вынужденное инвертирование тяжелой фракции от периферии к центру, а легкой фракции - от центра на периферию вращения. Затем выполняют вторую ступень центробежной сепарации, по крайней мере, во втором спиральном канале без вынужденного инвертирования и отводят выделенную газовую составляющую. Последующие ступени сепарации осуществляют в поле гравитационных центростремительных сил при движении жидкостей по траектории, включающей и поперечное движение вокруг последовательности цилиндрических тел при продвижении обеих жидкостей от периферии к центру, и также отводят выделенную газовую составляющую. Для осуществления данного способа, включающего последовательно центробежный сепаратор и гравитационный сепаратор с перегородками, обеспечивающий продвижение жидкости навстречу друг другу в вертикальном и горизонтальном направлении, центробежный сепаратор выполнен в виде последовательно соединенных змеевиков, разделенных, кроме последнего, инверторами, включает элементы вывода газовой составляющей и гравитационно-центростремительный сепаратор. Причем последний выполнен в виде последовательности осесимметричных цилиндров, обеспечивающих выполненными в них отверстиями продвижение жидкостей вокруг цилиндров, причем в цилиндрических зазорах навстречу и противоположно при течении от центра к периферии.

Недостатками данного способа является его низкая эффективность при разделении неустойчивых эмульсий, не содержащих газовую составляющую, и невозможность из-за отсутствия отдельного вывода твердой фазы использования предлагаемого устройства для разделения неустойчивых эмульсий, содержащих частицы твердой фазы.

Цель изобретения - разработка эффективного способа разделения неустойчивых эмульсий и устройства для его осуществления, исключающих накопление в сепарационной емкости осадков из частиц твердой фазы.

Согласно изобретению в предложенном способе разделения неустойчивых дисперсных систем, включающем их предварительное разделение в вертикальном центробежном сепараторе на два потока, верхний из которых обогащен легким компонентом, а нижний - тяжелым, дальнейшее гравитационное разделение потоков в сепарационной емкости при движении их вертикально сначала навстречу друг другу, а затем в противоположном направлении, причем изменение направления движения повторяют однократно или несколько раз, и отбор легкой и тяжелой жидкостей из сепарационной емкости через выходные патрубки, поставленная цель достигается тем, что гравитационное разделение потоков осуществляют при их одновременном круговом движении с постепенным снижением скорости вращения потоков по мере их приближения к выходным патрубкам. При этом в отличие от известного способа-прототипа предлагаемый способ позволяет при разделении неустойчивых эмульсий через выходной патрубок, расположенный в придонной части конического днища сепарационной емкости, постоянно или периодически удалять оседающие тяжелые частицы твердой фазы (механические примеси), что исключает накопление осадков твердой фазы, т.е. упрощает обслуживание сепарационной емкости.

Согласно предлагаемому способу разделение неустойчивых дисперсных систем осуществляется с помощью устройства (фиг.1 - вид сверху и фиг.2 - разрез по линии А-А ), включающего сепарационную емкость 1, в центре которой расположен узел ввода эмульсии в виде центробежного сепаратора с вертикальным цилиндрическим корпусом, тангенциальным входным патрубком 3 в средней части и отводами фаз сверху и снизу, причем в сепарационной емкости установлены чередующиеся перегородки 2, направляющие эмульсию вертикально поочередно навстречу друг другу и в противоположном направлении, и выходные патрубки 15 и 16, отличительная особенность которого состоит в том, что сепарационная емкость 1 снабжена плоской верхней крышкой и коническим днищем и имеет сплошную вертикальную перегородку в форме спирали Архимеда, соединенной с цилиндрическим корпусом центробежного сепаратора, плоской верхней крышкой и коническим днищем сепарационной емкости с образованием вертикальной, постепенно расширяющейся от центра к выходным патрубкам закрученной полости 7, причем чередующиеся перегородки 2 расположены в закрученной полости 7.

Предлагаемый способ разделения неустойчивых эмульсий в описанном устройстве осуществляется следующим образом.

Поток разделяемой неустойчивой эмульсии, загрязненный частицами твердой фазы, через тангенциальный патрубок 3 поступает в среднюю часть цилиндрического корпуса центробежного сепаратора 2 и закручивается в виде вихря с вертикальной осью. Начинается предварительный процесс сепарации под воздействием центробежных сил. Легкая фракция концентрируется в приосевой зоне вихря, тяжелая - в периферийной. Легкая фракция через торец 4 цилиндрического корпуса 3 переливается в закрученную, постепенно расширяющуюся полость 7, формируя в ней более легкий слой жидкости. Тяжелая фракция выходит через нижний торец 5 в придонную зону расширяющейся полости 7, формируя в ней нижний, более тяжелый слой жидкости.

В вертикальной полости круговое движение разделенных слоев жидкости, полученное за счет энергии вращения в центробежном сепараторе 3, сохраняется благодаря закрученной, постепенно расширяющейся форме вертикальной полости 7, а также за счет скоростей оттока жидкостей, постоянно отбираемых из сепарационной емкости 1 из верхнего 15 (легкой жидкости) и нижнего 16 (тяжелой жидкости) выходных патрубков. При этом в вертикальной, постепенно расширяющейся полости, разделенной поперечными перегородками 8 и 9 на ряд секций, происходит движение предварительно разделенных легкой и тяжелой жидкостей сначала вертикально навстречу друг другу, затем в противоположном направлении. При этом в верхнем потоке происходит слияние мелких капель тяжелого компонента и их быстрое осаждение, т.к. вектор скорости и вектор гравитационного разделения однонаправлены. То же самое происходит и с каплями легкой фракции в нижнем потоке, т.к. направление потока вверх способствует выносу легких мелких капель в слой легкого компонента. Затем потоки встречаются в средней зоне и через канал 11 перемещаются во вторую секцию, где изменяют направление на противоположное. Поток, обогащенный легким компонентом, движется снизу вверх, а поток, обогащенный тяжелым компонентом, - вниз. Далее движение потоков повторяется в той же последовательности однократно или несколько раз.

Эффективность разработанного способа и устройства разделения неустойчивых эмульсий оценивалась на основании экспериментальных данных, полученных при очистке пробы загрязненного бензина (бензин марки АИ-93), содержание эмульгированной воды до 5 мас.% и механических примесей до 1 маc.%.

Результаты очистки анализируемых проб неустойчивых эмульсионных систем, представленные в таблице, подтверждают возможность достижения поставленной цели, а именно в процессе разделения бензина удалось достичь высокой (до 95-96%) степени его очистки от воды и удалить из сепарационной емкости осевшие частицы механических примесей.

Изобретение относится к области разделения неустойчивых дисперсных систем и может быть использовано для очистки автомобильных топлив или сточных вод. Разделение осуществляют в вертикальном центробежном сепараторе на два потока, гравитационное разделение потоков производят при их круговом движении с постепенным снижением скорости вращения потоков по мере их приближения к выходным патрубкам. Используют вертикальную с плоской верхней и конической нижней крышками цилиндрическую емкость, по центру которой осесимметрично расположен цилиндрический корпус узла ввода эмульсии, к боковой стенке которого прикреплена сплошная вертикальная перегородка, закрученная в форме спирали Архимеда, верхние и нижние края которой соединены с верхней и нижней крышками. Технический результат состоит в повышении эффективности разделения. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ разделения неустойчивых дисперсных систем, включающий их предварительное разделение в вертикальном центробежном сепараторе на два потока, верхний из которых обогащен легким компонентом, а нижний - тяжелым, дальнейшее гравитационное разделение потоков в сепарационной емкости при движении их вертикально сначала навстречу друг другу, а затем в противоположном направлении, причем изменение направления движения повторяют однократно или несколько раз, и отбор легкой и тяжелой жидкостей из сепарационной емкости через выходные патрубки, отличающийся тем, что гравитационное разделение потоков осуществляют при их одновременном круговом движении с постепенным снижением скорости вращения потоков по мере их приближения к выходным патрубкам. 2. Устройство для разделения неустойчивых дисперсных систем, включающее сепарационную емкость, в центре которой расположен узел ввода эмульсии в виде центробежного сепаратора с вертикальным цилиндрическим корпусом, тангенциальным входным патрубком в средней части и отводами фаз сверху и снизу, причем в сепарационной емкости установлены чередующиеся перегородки, направляющие эмульсию вертикально поочередно навстречу друг другу и в противоположном направлении, и выходные патрубки, отличающееся тем, что сепарационная емкость снабжена плоской верхней крышкой и коническим днищем, а также сплошной вертикальной перегородкой в форме спирали Архимеда, соединенной с цилиндрическим корпусом центробежного сепаратора, плоской верхней крышкой и коническим днищем сепарационной емкости с образованием вертикальной, постепенно расширяющейся от центра к выходным патрубкам закрученной полости, причем чередующиеся перегородки расположены в закрученной полости.