СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕСМЕШИВАЮЩИХСЯ ЖИДКОСТЕЙ Российский патент 2007 года по МПК B01D17/28 

Изобретение относится к технологии разделения несмешивающихся жидкостей и может быть использовано для разделения жидкостей разной плотности, а также для очистки загрязненных примесями оборотных и сточных вод в газоперерабатывающей, нефтеперерабатывающей, химической, металлургической и других отраслях промышленности.

Известен способ очистки пластовой воды, содержащей взвешенные частицы, реализованный в тонкослойном отстойнике по патенту РФ № 2230595, МПК⁷ B 01 D 21/02, опубл. 20.06.04 г. Исходная пластовая вода поступает в межпластинчатое пространство отстойника, где происходит очистка исходной воды за счет осаждения на пластинах взвешенных частиц. Разделение двух сред происходит путем отстаивания в процессе движения разделяемого продукта в тонком слое. Удаление осадка производят по мере его накопления на поверхности пластин.

Недостатком известного способа является недостаточно эффективное разделение двух сред. Ввиду того что параллельные пластины отстойника расположены горизонтально, на выходе из блока тонкослойных элементов происходит перемешивание разделяемых сред, что приводит к вторичному уносу и, следовательно, ухудшению качества разделения. Кроме того, для ускорения сброса объема исходной воды из межпластинчатого пространства в отстойник под давлением необходимо подавать газ, а для удаления осадка с пластин необходимо подавать промывочную воду.

Общим признаком известного и предлагаемого способов является разделение двух сред отстаиванием в процессе движения разделяемого продукта в тонком слое.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ разделения двух несмешивающихся жидкостей, включающий подачу эмульсии в ограниченный объем и равномерное ее распределение по сечению потока, последующее выравнивание поля скоростей в поперечном сечении потока эмульсии и гравитационное разделение эмульсии в тонком слое в режиме расслоения при горизонтальном движении потока. Перед выравниванием поля скоростей отделяют тяжелую жидкость от легкой до остаточной объемной концентрации не более 0,02 м³/м³ и гидравлической крупности не более 0,1 см/с. Кроме того, тяжелую жидкость по мере осаждения непрерывно отводят из сформированного тонкого слоя, а капли дисперсной фазы эмульсии, сформированной в тонкий слой, коалесцируют (патент РФ № 1432861, МПК⁶ B 01 D 17/02, опубл. 27.02.97 г.).

Известный способ также не обеспечивает эффективного разделения несмешивающихся жидкостей. Например, при разделении мелкодисперсной эмульсии возникает перегрузка по количеству отделенной тяжелой жидкости, что может привести к уменьшению проходного сечения тонкого канала и нарушению гидравлического режима работы отстойника. В случае присутствия в эмульсии большого количества твердых примесей создается опасность засорения проходного сечения тонкого канала.

Общими признаками известного и предлагаемого способов являются:

- равномерное распределение смеси по сечению потока;

- последующее гравитационное разделение смеси в тонком слое в режиме расслоения при горизонтальном движении потока.

Техническая задача заключается в создании наиболее эффективного и качественного способа разделения двух несмешивающихся жидкостей разной плотности.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе разделения несмешивающихся жидкостей разной плотности, включающем равномерное распределение смеси по сечению потока с последующим гравитационным ее разделением в тонком слое в режиме расслоения при горизонтальном движении потока, по всей длине области гравитационного разделения смеси организуют зоны, при этом формируемые в каждой зоне тонкие слои смеси уменьшают последовательно от зоны к зоне по направлению горизонтального движения потока при сохранении постоянной площади поперечного сечения разделяемого потока.

Кроме того, по направлению горизонтального движения потока смеси переход от одной зоны к другой осуществляют при условии где - функция распределения частиц смеси по размерам на входе данной зоны; - функция распределения частиц смеси по размерам на выходе данной зоны, r - радиус частицы.

Функция распределения частиц по размерам на выходе зоны определяется экспериментально или расчетным путем и зависит от функции распределения частиц на входе, геометрических параметров блока тонкослойных элементов, свойств жидкостей и др.

При этом из каждой зоны отбирают жидкость с более высокой плотностью.

Формирование тонких слоев, уменьшающихся последовательно от зоны к зоне по всей длине области гравитационного разделения смеси по направлению горизонтального движения потока, при сохранении постоянной площади поперечного сечения разделяемого потока, обеспечивает достижение эффективного разделения несмешивающихся жидкостей за счет повышения устойчивости движения разделяемого потока. Жидкая фаза с большей гидравлической крупностью капель начинает отделяться на входе в область гравитационного разделения смеси, где тонкий слой максимальный, таким образом от зоны к зоне гидравлическая крупность капель уменьшается, и поэтому в область гравитационного разделения, где тонкий слой минимальный, поступает жидкая фаза с меньшей плотностью и гидравлической крупностью капель. При этом снижается удельная гидравлическая нагрузка по жидкой фазе с более высокой плотностью, приходящаяся на единицу длины области гравитационного разделения, и тем самым исключается унос, вызванный повышением скорости течения в тонком слое. Кроме того, предотвращается перераспределение расходов разделяемого потока между формируемыми тонкими слоями, вызванное интенсивными нисходящими потоками жидкости с более высокой плотностью и донными течениями.

Соблюдение условия определяющего переход от одной зоны к другой по направлению горизонтального движения потока смеси, позволяет обеспечить гидравлическую устойчивость потока, тем самым повышая эффективность разделения смеси.

Осуществление отбора жидкости с большей плотностью раздельно из каждой зоны обеспечивает качественное разделение несмешивающихся жидкостей, при котором предотвращается перераспределение разделяемых потоков по высоте тонкого слоя.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Несмешивающиеся жидкости разной плотности подают в емкость, где эту смесь равномерно распределяют по всему сечению потока. После чего смесь при соблюдении горизонтального движения потока подают на гравитационное разделение в тонком слое. По всей длине области гравитационного разделения смеси организуют зоны, представленные в виде отдельных блоков тонкослойных элементов. Причем каждый блок выполнен в виде наклонных пластин, образующих тонкослойные каналы. Формируемый в каждой зоне между наклонными пластинами тонкий слой уменьшают последовательно от зоны к зоне по направлению горизонтального движения потока при сохранении постоянной площади поперечного сечения разделяемого потока. В тонкослойных каналах происходит гравитационное осаждение и коалесценция капель жидкости с более высокой плотностью на поверхности тонкослойного элемента. Разделение смеси происходит в режиме расслоения, при этом жидкая фаза с более высокой плотностью в виде тонкой пленки под действием сил гравитации стекает по наклонной поверхности тонкослойного элемента в нижнюю часть емкости. Из каждой зоны отбирают жидкость с более высокой плотностью. На входе в область гравитационного разделения смеси, где тонкослойный канал максимальный, отделяется жидкая фаза с более высокой плотностью и большей гидравлической крупностью капель, от зоны к зоне гидравлическая крупность капель в смеси уменьшается и в область гравитационного разделения, где тонкослойный канал минимальный, поступает жидкая фаза с меньшей плотностью и наименьшей гидравлической крупностью капель. После прохождения блока тонкослойных элементов жидкость с меньшей плотностью выводят из емкости.

Пример 1.

Реализация способа производилась на лабораторном стенде института на смесях керосин - триэтиленгликоль (ТЭГ) в горизонтальном отстойнике. Исходные данные:

Расход керосина, дм³ч20Расход ТЭГа, дм³ч4Средний диаметр капель ТЭГа, мкм15, 10, 8Объемная концентрация ТЭГа в керосине, м³/м³0,2Гидравлическая крупность капель, см/с0,4Плотность ТЭГа, кг/м³1100Плотность керосина, кг/м³800Динамическая вязкость керосина, Па·с1,7-10-3

Для визуального наблюдения за процессом отделения тяжелой жидкости от легкой, а именно триэтиленгликоля от керосина, ТЭГ был окрашен стойким красителем (метиленовый голубой). Исходную смесь подавали в емкость, выполненную из прозрачного материала, и равномерно распределяли по сечению емкости. Поле скоростей в поперечном сечении емкости определяли визуально по линиям тока окрашенного ТЭГа и с помощью термоанемометра, подключенного к измерительному комплексу приборов фирмы "ДИСА". Концентрацию ТЭГа в керосине определяли иодометрическим титрованием по известным методикам. Средний диаметр капель ТЭГа определяли седиментометрическим анализом с помощью прибора Вигнера - Келли. Гидравлическую крупность капель определяли по формуле Стокса. Сформированный горизонтальный поток со средней скоростью 2·10^-4 м/с подавали на тонкослойное отстаивание в пакет наклонных пластин. Пакет состоит из трех последовательно расположенных комплектов пластин с расстояниями между пластинами 23,4 мм, 9,75 мм и 3 мм соответственно.

Характеристики пакета пластин представлены ниже:

- угол наклона пластин к горизонтали60°- размеры пластин, мм: - в 1-м,150×70;- во 2-м,150×50;- в 3-м комплекте соответственно150×210- расстояния между пластинами в 1-м, 2-м и 3-м комплекте, мм23,4; 9,75; 3- число каналов в 1-м, 2-м и 3-м комплекте соответственно5; 12; 40

На выходе пакета пластин наблюдалось равномерное поле скоростей. Концентрации ТЭГа в керосине и максимальная гидравлическая крупность капель в смеси после разделения, а также условия перехода от зоны к зоне представлены в табл.1. Изменение гидравлической крупности осаждаемых капель по длине полочного блока представлено на чертеже.

Пример 2 (по прототипу).

Исходные данные соответствуют примеру 1. Отстаивание проводили в емкости на наклонных пластинах при постоянном расстоянии между ними.

Характеристики пластин следующие:

- угол наклона пластин к горизонтали60°- расстояние между пластинами, мм23,4- размер пластин, мм150×330- количество каналов5

Концентрации ТЭГа в керосине и максимальная гидравлическая крупность капель в смеси после разделения представлены в табл.2. Изменение гидравлической крупности осаждаемых капель по длине полочного блока представлено на чертеже.

Таблица 2НаименованиеСредний диаметр капель ТЭГа на входе, мкм 15108Остаточное содержание ТЭГа в керосине, м³/м³1,7·10^-36,9·10^-313·10^-3Максимальная гидравлическая крупность капель в смеси после разделения, см/с0,00554

Как видно из табл.1 и 2, остаточное содержание ТЭГа в керосине в заявляемом варианте меньше в 20-40 раз (в зависимости от среднего диаметра капель ТЭГа на входе) по сравнению с прототипом. Таким образом, по сравнению с известным предлагаемое техническое решение позволяет повысить эффективность и качество разделения путем обеспечения гидравлической устойчивости потока.

Чертеж Изменение гидравлической крупности осаждаемых капель по длине полочного блока: Δ - пример 1; - пример 2.

Как видно из представленного чертежа, повышение качества очистки достигается за счет уменьшения гидравлической крупности осаждаемой капли на выходе из блока.

Изобретение относится к технологии разделения несмешивающихся жидкостей и может быть использовано для разделения жидкостей разной плотности, а также для очистки загрязненных примесями оборотных и сточных вод в газоперерабатывающей, нефтеперерабатывающей, химической, металлургической и других отраслях промышленности. Способ включает равномерное распределение смеси по сечению потока с последующим гравитационным ее разделением в тонком слое в режиме расслоения при горизонтальном движении потока. По всей длине области гравитационного разделения смеси организуют зоны, при этом толщину формируемых в каждой зоне тонких слоев уменьшают последовательно от зоны к зоне по направлению горизонтального движения потока при сохранении постоянной площади поперечного сечения разделяемого потока. Технический результат состоит в качественном разделении несмешивающихся жидкостей за счет предотвращения перераспределения разделяемых потоков по высоте тонкого слоя. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Способ разделения двух несмешивающихся жидкостей разной плотности, включающий равномерное распределение смеси по сечению потока с последующим гравитационным ее разделением в тонком слое в режиме расслоения при горизонтальном движении потока, отличающийся тем, что по всей длине области гравитационного разделения смеси организуют зоны, при этом формируемую в каждой зоне толщину тонкого слоя уменьшают последовательно от зоны к зоне по направлению горизонтального движения потока при сохранении постоянной площади поперечного сечения разделяемого потока.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что по направлению горизонтального движения потока смеси переход от одной зоны к другой осуществляют при условии

где - функция распределения частиц смеси по размерам на входе данной зоны;

- функция распределения частиц смеси по размерам на выходе данной зоны;

r - радиус частицы.