СПОСОБ СЕПАРАЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК C02F1/24 B01F3/04 C02F1/24 C02F101/32 

Изобретение относится к области очистки стоков предприятий энергетики, нефтепереработки, нефтехимии, в частности к средствам насыщения жидкости газом, например воды воздухом, и может быть использовано в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, теплоэнергетической, пищевой и других областях промышленности для экстракции нефтепродуктов из загрязненных вод, аэрации стоков и иных сред, их гомогенизации и т.п.

Известен способ очистки воды от эмульгированных и растворенных нефтепродуктов, включающий фильтрование воды через несколько слоев базальтового волокна, чередующихся со слоями порошкообразного адсорбента - высокоактивного оксида алюминия. При этом воду предварительно пропускают через устройство с попарно установленными постоянными магнитами, обеспечивающее последовательное воздействие разноименных полюсов на воду (см. заявку РФ 99106739/12 от 1999.04.05, C 02 F 1/40).

Известна также установка для осуществления способа фильтрации природных и сточных вод от нефти, нефтепродуктов и механических примесей. Установка включает вертикальный цилиндрический корпус с подающим и отводящим патрубками, расположенный по оси корпуса вокруг подающей, центральной трубы внутренний цилиндр, заполненный фильтрующе-коалесцирующим материалом, причем дополнительно установка снабжена коалесцирующей камерой, установленной под корпусом, а нижняя часть центральной трубы размещена коаксиально в камере, имеющей также конусообразную крышку, в которой расположен патрубок для отвода механических примесей. В цилиндрической части камеры установлен патрубок для тангенциального ввода загрязненной воды. Коалесцирующая камера заполнена гранулами полипропилена с положительной плавучестью, между внутренним цилиндром и корпусом установлена перегородка, внутренний цилиндр выполнен в виде сменного патрона, снабженного штуцером для слива нефтепродуктов и содержащего слои фильтрующе-коалесцирующих материалов, расположенных в определенной последовательности. В патроне установлены также перфорированные перегородки, разделяющие эти слои. Кроме того, в верхней части патрона, к центральной трубе прикреплена наклонная перегородка в виде усеченного конуса, выше крепления перегородки установлен регулятор поддержания заданного уровня воды в патроне (см. патент РФ 2160714 от 2000.06.29, C 02 F 1/40).

Недостатком указанных способа и устройства является низкая производительность, сложность реализации.

Известен способ очистки воды от пленочных, диспергированных и растворенных нефтепродуктов, включающий отстой исходной нефтесодержащей воды в гравитационном отстойнике с последующим раздельным выводом отстоя воды и нефтепродуктов, причем отсепарированные при отстое нефтепродукты подвергают нагреву до температуры фракционной отгонки из них легких фракций, а оставшийся не растворимый в воде нефтепродукт используют в качестве экстрагента, диспергируя его в доочищаемую воду после предварительного отстоя и экстрагируя им растворенные в воде нефтепродукты, после чего доочищаемую нефтесодержащую воду отстаивают с последующим раздельным выводом доочищенной воды и отсепарированных при отстое нефтепродуктов, часть которых используется по замкнутому циклу для доочистки исходной воды (см. заявку РФ 97100408, C 02 F 1/40, 1997г.).

Недостатком данного способа является низкая производительность из-за многоступенчатой схемы экстракции.

Наиболее близким к предложенному является способ сепарации, включающий насыщение жидкости газом при интенсивном перемешивании, ее флотирование, удаление всплывших примесей и слив очищенной жидкости, причем насыщение жидкости газом производят при атмосферном давлении эжекцией во всасывающую трубу перекачивающего насоса, а сверх этого количества - в напорную трубу этого же насоса перед сатуратором (см. заявку РФ 98117759, C 02 F 1/24, 1998г.).

Устройство для осуществления указанного способа содержит флотационную камеру с донным перфорированным коллектором, скребковым механизмом, пеносборником для удаления всплывшей пены флотируемых загрязнений и донным выпуском очищенной воды, а также перекачивающий центробежный насос, имеющий на всасывающей трубе эжектор, соединенный трубой с атмосферным воздухом, причем напорная труба этого насоса соединена с сатуратором для растворения вводимого в воду воздуха, а выходная труба сатуратора соединена с донным перфорированным коллектором флотационной камеры (см. там же).

Основным недостатком известного решения является недостаточная эффективность сепарации, обусловленная преобладанием крупных пузырьков газа над мелкими, а также недостаточной интенсивностью перемешивания. Кроме того, дополнительное насыщение жидкости газом при давлении выше атмосферного усложняет способ, снижает надежность и повышает стоимость средств для его реализации.

Техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения является повышение эффективности сепарации при одновременном упрощении и удешевлении способа и устройства для его реализации.

Указанный результат достигается тем, что в способе сепарации, включающем насыщение жидкости газом при интенсивном перемешивании, ее флотирование, удаление всплывших примесей и слив очищенной жидкости, насыщение жидкости газом совмещают с диспергированием содержащихся в жидкости включений и осуществляют путем гидродинамической кавитационной обработки.

При этом диспергирование содержащихся в жидкости включений может производиться до размеров частиц 20...100 мкм.

Рекомендуется также диспергирование содержащихся в жидкости включений осуществлять при скоростях сдвига 10²...10³ с^-1 и/или напряжениях сдвига 10³...10⁵ Па.

Кроме того, насыщение жидкости газом может осуществляться за счет энергии потока жидкости, подаваемой на диспергирование содержащихся в жидкости включений со скоростью 19...40 м/с.

Целесообразно также насыщение жидкости газом производить путем подвода и/или самопроизвольного подсоса газа в область пониженного давления потока жидкости.

И, наконец, подвод и/или самопроизвольный подсос газа может производиться в нескольких точках области пониженного давления, расположенных вдоль оси потока жидкости.

Указанный результат достигается также тем, что устройство для осуществления способа, содержащее флотационную камеру с донным перфорированным коллектором, механизмом удаления всплывшей пены флотируемых загрязнений и выпуском очищенной жидкости, а также перекачивающий насос, снабжено гидродинамическим кавитационным смесителем, выполненным с по меньшей мере одним патрубком подвода газа, причем напорная труба перекачивающего насоса соединена с входным патрубком гидродинамического кавитационного смесителя, выходной патрубок которого соединен с донным перфорированным коллектором.

Кроме того, гидродинамический кавитационный смеситель может быть выполнен в виде цилиндрического корпуса с входным и выходным патрубками и патрубками подвода газа, а также соосно расположенной в корпусе центральной вставки, выполненной в виде тела вращения с плоским торцом, обращенным к выходному патрубку, причем на участке размещения центральной вставки корпус выполнен с закрытым съемной крышкой окном с установленной в нем заглушкой с внутренней цилиндрической поверхностью, внутренний радиус которой равен внутреннему радиусу цилиндрического корпуса, центральная вставка выполнена со сквозным диаметральным отверстием, в котором расположен стержень, один конец которого размещен в отверстии корпуса, а второй - в отверстии заглушки.

Кроме того, центральная вставка может быть выполнена с опорными элементами, размещенными со стороны фиксации стержня в отверстии корпуса, и дистанционной втулкой, расположенной на стержне между центральной вставкой и заглушкой, при этом крышка выполнена с механизмом отжима заглушки, а корпус выполнен с по меньшей мере тремя патрубками подвода газа со скрещенными осями, причем ось первого из них лежит в плоскости торца центральной вставки, а ось каждого последующего смещена от оси предшествующего на половину его внутреннего диаметра в направления выходного патрубка.

Целесообразно также центральную вставку выполнить упругой, с возможностью обжима торцевой части в диаметральном направлении.

На фиг.1 показана установка для сепарации, в частности для очистки сточных вод, на примере работы которой иллюстрируется предлагаемый способ, на фиг. 2 показан продольный разрез устройства для осуществления способа, фиг.3 - разрез по линии А-А фиг.2, а фиг.4, 5 иллюстрируют вариант выполнения центральной вставки.

Устройство, показанное на фиг.1, содержит приемный резервуар 1, флотационную камеру 2, бак 3 мазута, насос 4, гидродинамический кавитационный смеситель 5, механический фильтр 6, угольный фильтр 7, прибор 8 контроля уровня в камере 2, регулирующий клапан 9, вентили 10-15, входной и выходной патрубки 16, 17 соответственно. Камера 2 выполнена с донным перфорированным коллектором 18, резервуар 1 - со сливной воронкой 19. Смеситель 5 выполнен с патрубком 20 подвода газа (воздуха).

Резервуар 1 через смеситель 5 соединен с коллектором 18, выход камеры 2 и воронка 19 соединены с баком 3, на вход смесителя 5 жидкость подается насосом 4 с выхода камеры 2 и из резервуара 1.

Смеситель 5 (фиг. 2, 3) содержит цилиндрический корпус 21 с патрубками подвода 22 и отвода 23 жидкости соответственно, патрубком 24 подвода газа, соосно расположенную в корпусе 21 центральную вставку 25 в виде тела вращения с плоским торцом 26. На участке 27 центральной вставки 25 корпус 21 имеет перекрытое съемной крышкой 28 окно 29 с установленной в нем заглушкой 30 с внутренней цилиндрической поверхностью 31, радиус которой R₁ равен внутреннему радиусу R₂ цилиндрического корпуса 21. Центральное тело 25 имеет сквозное диаметральное отверстие 32 с расположенным в нем стержнем 33, один конец 34 которого зафиксирован на корпусе 21, а второй конец 35 проходит сквозь отверстие 36 в заглушке 30, противоположная сторона которой фиксируется на корпусе 21 буртиком 37. Центральная вставка 25 со стороны фиксации стержня 23 на корпусе 21 имеет опорные элементы 38, на стержне 33 между центральной вставкой 25 и заглушкой 30 установлена втулка 39, которая обеспечивает фиксацию центральной вставки 25 в корпусе 21, а также расположение внутренних цилиндрических поверхностей корпуса 21 и заглушки 30 на одном уровне.

На крышке 28 расположен механизм 40 отжима заглушки 30 от крышки 28, а через нее - с помощью втулки 39 фиксируется центральная вставка 25 в корпусе 21.

Корпус 21 выполнен также с тремя дополнительными патрубками 41, 42 и 43 подвода газа, ось первого из которых (патрубка 41) совпадает с торцом 26 центральной вставки 25, а ось каждого последующего (патрубки 42 и 43) смещена от оси предшествующего патрубка (41 и 42 соответственно) на половину его внутреннего диаметра к патрубку 23 (кроме того, эти патрубки смещены также по углу в диаметральной плоскости корпуса 21 (фиг.3).

Выполнение смесителя 5 с дополнительными патрубками подведения газа с указанным расположением и смещением относительно центральной вставки 25 обеспечивает поступление газа в разные точки кавитационной каверны, которая во время работы устройства возникает за торцом 26 центральной вставки 25, и обеспечивает оптимальные условия образования газожидкостной смеси в зависимости от гидродинамических условий в смесителе 5, позволяя регулировать размеры и количество газовых пузырьков при равномерном распределении их в жидкости (это предотвращает соединение газовых пузырьков и обеспечивает стабильность свойств создаваемой газожидкостной системы).

Наличие же в смесителе 5 съемной крышки 28, заглушки 30, стержня 33, опорноых элементов 38, втулки 39 и механизма 40 обеспечивает соосность центральной вставки 25 с цилиндрическим корпусом 21 и гарантирует образование кавитационной каверны с заданными стабильными параметрами, и также обеспечивает регулировку размеров и количества газовых пузырьков путем замены вставки 25.

Вставка 25 может быть выполнена в виде центрального тела 44 и хомута 45, удерживающего упругие пластины 46. Зазор между пластинами 46 и телом 44 может быть уплотнен упругой оболочкой 47 (фиг.4, 5).

Устройство, показанное на фиг.1, работает следующим образом.

Загрязненные (замазученные) стоки поступают в резервуар 1, где значительная часть отстоявшихся нефтеродуктов удаляется через подтопленную воронку 19 в бак 3.

Дальнейшая очистка стоков происходит в камере 2, через которую насосом 4 через гидродинамический кавитационный смеситель 5 осуществляется рециркуляция стоков.

В смесителе 5 одновременно происходит насыщение стоков мелкодисперсными пузырьками атмосферного воздуха и диспергирование нефтепродуктов до размера 5-10 мкм.

Далее, замазученные стоки, насыщенные пузырьками воздуха через сопла подводного коллектора 18, расположенного перпендикулярно направлению потока жидкости, подаются в камеру 2. Пузырьки воздуха, поднимаясь вверх, увлекают диспергированные частицы нефтепродуктов, удаляемые с поверхности жидкости, например, скребковым приспособлением. В смесителе 5, точнее в каверне, образующейся в зоне кавитации, происходит активация сепарируемых нефтепродуктов и их первичное взаимодействие с микропузырьками газа.

В смесителе 5 (фиг.2, 3) поток исходной жидкости через патрубок 22 поступает в цилиндрический корпус 21. При прохождении жидкостью центральной вставки 25 за ней образуется кавитационная каверна, которая способствует введению в жидкость газового потока, перемешиванию и диспергированию компонентов смеси. Образованная газожидкостная смесь удаляется из устройства через патрубок 23. В зависимости от требуемых параметров смеси вводимый в жидкость газ подводят в один или несколько патрубков 24, 41-43.

При необходимости замены центральной вставки 25 перекрываются патрубки 22, 24, 41-43 подведения компонентов смеси к смесителю 5, снимается крышка 28 и заглушка 30, после чего центральная вставка 25 свободно изымается из корпуса 21. При сборке устройства конец 34 стержня 33 фиксируется на корпусе 21. С помощью элементов 38 центральная вставка 25 размещается на стержне 33 соосно с корпусом 21. После этого в окно 28 устанавливается заглушка 30; при этом буртик 37 опирается на корпус 21, а конец 35 стержня 33 проходит сквозь отверстие 36 в заглушке 30. Затем на корпус 21 устанавливается крышка 28, а с помощью механизма 40 от нее отжимается заглушка 30, что обеспечивает надежную фиксацию в необходимом положении центральной вставки 25.

Выполнение вставки 25 упругой и деформируемой в радиальном направлении позволяет при увеличении входного давления смесителя 5 за счет обжима пластин 46 автоматически уменьшить диаметральный размер вставки 25, сохранив вышеуказанные параметры кавитационного режима без замены вставки 25.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает эффективную сепарацию нефтепродуктов и иных возможных примесей за счет совместной кавитационной обработки очищаемой жидкости, содержащихся в ней включений и пузырьков газа, в результате которой происходит активация и дробление включений, образование активированных микропузырьков и такое изменение свойств жидкости, которые вместе способствуют повышению эффективности процесса сепарации в образующейся газожидкостной пульпе.

Изобретение может использоваться в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, теплоэнергетической, пищевой и других областях промышленности для выделения нефтепродуктов из загрязненных вод, аэрации стоков и иных сред, их гомогенизации и т.п. Способ включает насыщение жидкости газом при интенсивном перемешивании, ее флотирование, удаление всплывших примесей и слив очищенной жидкости. Насыщение жидкости газом совмещают с диспергированием содержащихся в жидкости включений и осуществляют путем гидродинамической кавитационной обработки. Устройство содержит флотационную камеру с донным перфорированным коллектором, механизмом удаления всплывшей пены флотируемых загрязнений и выпуском очищенной жидкости, а также перекачивающий насос. Устройство снабжено гидродинамическим кавитационным смесителем с патрубком подвода газа. Напорная труба перекачивающего насоса соединена с входным патрубком гидродинамического кавитационного смесителя, выходной патрубок которого соединен с донным перфорированным коллектором. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ сепарации, включающий насыщение жидкости газом при интенсивном перемешивании, ее флотирование, удаление всплывших примесей и слив очищенной жидкости, отличающийся тем, что насыщение жидкости газом совмещают во времени и пространственно с диспергированием содержащихся в жидкости включений и осуществляют путем совместной гидродинамической кавитационной обработки за счет подсоса газа непосредственно в зону кавитации. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что диспергирование содержащихся в жидкости включений производят до размеров частиц 20...100 мкм. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что диспергирование содержащихся в жидкости включений осуществляют при скоростях сдвига 10²...10³ с^-1 и/или напряжениях сдвига 10³...10⁵ Па. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что насыщение жидкости газом осуществляют за счет энергии потока жидкости, подаваемой на диспергирование содержащихся в жидкости включений со скоростью 19...40 м/с. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что подвод и/или самопроизвольный подсос газа производят в нескольких точках области пониженного давления, расположенных вдоль оси потока жидкости. 6. Устройство для сепарации, содержащее флотационную камеру с донным перфорированным коллектором, механизмом удаления всплывшей пены флотируемых загрязнений и выпуском очищенной жидкости, а также перекачивающий насос, отличающееся тем, что оно снабжено гидродинамическим кавитационным смесителем, выполненным с по меньшей мере одним патрубком подвода газа, причем напорная труба перекачивающего насоса соединена с входным патрубком гидродинамического кавитационного смесителя, выходной патрубок которого соединен с донным перфорированным коллектором. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что гидродинамический кавитационный смеситель выполнен в виде цилиндрического корпуса с входным и выходным патрубками и патрубками подвода газа, а также соосно расположенной в корпусе центральной вставки, выполненной в виде тела вращения с плоским торцом, обращенным к выходному патрубку, причем на участке размещения центральной вставки корпус выполнен с закрытым съемной крышкой окном с установленной в нем заглушкой с внутренней цилиндрической поверхностью, внутренний радиус которой равен внутреннему радиусу цилиндрического корпуса, центральная вставка выполнена со сквозным диаметральным отверстием, в котором расположен стержень, один конец которого размещен в отверстии корпуса, а второй - в отверстии заглушки. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что центральная вставка может быть выполнена с опорными элементами, размещенными со стороны фиксации стержня в отверстии корпуса, и дистанционной втулкой, расположенной на стержне между центральной вставкой и заглушкой, при этом крышка выполнена с механизмом отжима заглушки, а корпус выполнен с по меньшей мере тремя патрубками подвода газа со скрещенными осями, причем ось первого из них лежит в плоскости торца центральной вставки, а ось каждого последующего смещена от оси предшествующего на половину его внутреннего диаметра в направления выходного патрубка. 9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что центральная вставка выполнена упругой с возможностью обжима торцевой части в диаметральном направлении.