ОТСТОЙНО-КОАЛЕСЦИРУЮЩИЙ СЕПАРАТОР НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ВОД Российский патент 2008 года по МПК C02F1/40 

Изобретение относится к устройствам для разделения жидкостей с разными удельными весами, преимущественно воды и нефти, и может быть использовано в отраслях народного хозяйства, где необходимо отделять одну жидкость от другой, в частности в судостроении.

Как известно, существующие в настоящее время коалесцирующие сепараторы нефтесодержащих вод содержат различного рода фильтроэлементы в виде волокнистого материала, гранул, либо пластины обладающие олеофильными свойствами, и др.

Общеизвестно, что недостатком волокнистой и гранулированной загрузки является ограниченное время работы до засорения, следствием чего является рост аномалий потока, приводящих к образованию мертвых зон в одних частях объема загрузки и локальным всплескам скоростей в других частях объема загрузки, вызывающих ухудшение качества очистки.

В мертвых зонах резко снижается вероятность столкновения мельчайших частиц нефти, а в зонах высоких скоростей снижается время контакта частиц, что в свою очередь снижает вероятность их слияния.

Механизм коалесценции заключается в приближении капли к капле или к поверхности загрузки, деформации капель, затуханию относительных колебаний, утончению пленки, разрыву пленки и переносу содержимого капли в новую дисперсную систему

Общеизвестно также, что и в пластинчатом фильтроэлементе, в силу неизбежных различий расходов жидкости между разными парами пластин, также наблюдаются как нулевые расходы, вызывающие мертвые зоны, так и обратные токи (рециркуляцию части жидкости), что приводит к увеличению скорости жидкости в зазорах с прямым током жидкости (из-за сохранения общего расхода жидкости через сепаратор).

Известно устройство, реализованное в способе выделения масляной фазы, диспергированной в водных средах или растворителях (см. патент США 4416782, МКИ В01D 17/04, опубликованный 22.11.83 г), содержащее плоское пористое текстильное изделие, имеющее ворс со свободными вверх концами, обладающее олеофильными свойствами.

Нефтесодержащая вода проходит через поры, имеющие преднамеренно заданную, близкую к круговой и произвольной форму этого элемента, мелкие капли нефтепродукта задерживаются этими порами и волокнами, укрупняются и за счет подъемных сил поднимаются на поверхность. Недостатками известного устройства являются незначительное время его работы до засорения и низкая очистная способность, ухудшающаяся еще более по мере загрязнения фильтроэлемента и роста аномалий в потоке.

Известна нефтеловушка фирмы (Шелл) (США) с параллельными пластинами (см. Г.А.Роев и д.р., "Очистка сточных вод и вторичное использование нефтепродуктов". - М.: Недра, 1992 г., стр.69).

Пластины, изготовленные из металла толщиной 1 мм, установлены под углом 45°. Для предотвращения испарения всплывших нефтепродуктов над пластинами смонтирован желоб, в который собирается нефть. Для уменьшения испарения желоб погружен в воду. Осевший на дно осадок откачивают с помощью специального шланга, установленного на дне нефтеловушки. Параллельные пластины могут иметь различную конфигурацию и быть собранными в секции, например, 100×100 см и длиной 175 см. Число пластин в одной секции равно 24 или 48 при расстоянии между пластинами соответственно 4 или 2 см. Производительность одной секции сравнительно невысока и составляет 15 или 20 куб.м/ч при расстоянии соответственно 4 или 2 см. Из стандартных секций можно собирать отстойник на любую производительность.

Общим недостатком известного устройства является низкое качество очистки из-за отсутствия специальной емкости, которая служила бы для предварительного отделения легкоотделимых нефтяных частиц, окалины, песка и др., вызывающих аномальные потоки.

Известен отстойно-коалесцирующий сепаратор нефтесодержащих вод, разработанный фирмой "Дженерал электрик" (США), в частности, для морских судов, загруженный блоками гофрированных коалесцирующих пластин, защищенный патентом (США) 3847813 от 12 ноября 1974 г., (Нунупаров С.М. Предотвращение загрязнения моря с судов. - М.: Транспорт, 1985 г., стр.94).

Известный сепаратор содержит корпус с патрубком подвода нефтесодержащей жидкости и патрубками отвода воды и нефти, разделенный перегородкой на ступень первичного (грубого) отстоя и ступень тонкой очистки с коалесцирующими фильтроэлементами. Коалесцирующие элементы выполнены в виде пакетов гофрированных полипропиленовых пластин, размещенных последовательно вдоль ступени. В некоторых моделях между пакетами пластин установлена дополнительная вертикальная поперечная коалесцирующая перегородка. Пластины установлены с зазором 6 мм относительно друг друга, образуя строго определенную форму сечения канала очистки в виде прямоугольника. В верхней части каждой из гофров имеются отверстия диаметром 8 мм.

Достоинством известного сепаратора является его малая подверженность засорению. При этом первая ступень (ступень первичного, грубого отстоя) обеспечивает гравитационное отделение крупных капель нефти и выпадение в осадок механических примесей. Вторая ступень (ступень тонкой очистки) воспроизводит одновременно процессы гравитационного отстоя и коалесценции. Поток воды, проходящий через ее пакеты, разделяется на множество слоев, движущихся с одинаковой скоростью между гофрированными пластинами. Наличие гофров несколько активизирует число столкновений между частицами нефти. Первично укрупнившись, капли скапливаются под гребнями гофр, где переходят в пленочное состояние, которое становится малоподвижным относительно средней скорости основного потока, чем обеспечивается наиболее вероятностное слияние мелких частиц нефти, находящихся в потоке, с неподвижным пленочным нефтепродуктом. Взаимодействие частиц нефти с твердой олеофильной поверхностью или с пленочным нефтепродуктом является контактным механизмом коалесценции. Превалирование контактного механизма коалесценции над гидродинамическим или наоборот зависит от вида и состояния нефтепродукта в смеси, от формы, расположения, материала и других свойств пластин.

Однако очистная способность известного сепаратора с коалесцирующим фильтроэлементом из пакета гофрированных пластин, установленных с зазором и параллельно уложенных относительно друг друга, недостаточна.

Известно, что процесс коалесценции складывается в общем виде из времени сближения частиц нефти, их деформации и взаимного колебания, разрыва пленки, переноса содержимого частиц с образованием новой фазы. Поэтому средняя скорость движения жидкости при коалесценции не должна превышать 1,5-3,0 мм/сек.

Также общеизвестно, что гидродинамический режим может состоять из потоков поршневого типа, смешанного, обратного и других типов потоков, в том числе и таких, как сегрегация, т.е. разделение общего потока на два и более элементарных потоков (струй), имеющих различные скорости. При скорости потока более 20 мм/сек процесс коалесценции прекращается и наступает обратное явление, т.е. диспергирование.

В известном сепараторе из-за наличия неравномерного расхода между пластинами гидродинамический режим содержит высокий процент аномальных токов и областей с высокими скоростями жидкости. В связи с этим в известном техническом решении из-за примененной формы пластин и их взаимного расположения достигнуть оптимального гидродинамического режима для процесса коалесценции невозможно.

Следствием этого являются: в мертвых зонах снижается вероятность столкновения частиц нефти, а в зонах высоких скоростей из-за кратковременности взаимного контакта снижается вероятность их слияния, т.е. коалесценции.

Другим недостатком известного сепаратора является то, что при использовании его на флоте в период качки пленочный нефтепродукт, сконцентрированный под гофрами пластин, обеспечивающий основной контактный механизм коалесценции, быстро вымывается из под вершин гофр, что существенно снижает эффективность работы сепаратора в судовых условиях.

Известен отстойно-коалесцирующий сепаратор нефтесодержащих вод, разработанный в ДВГМА им. Г.И.Невельского (см. полезную модель РФ 14141 В01D 17/02, С02F 1/40, опубликованный 10 июля 2000 г.), который по технической сущности является наиболее близким к заявляемому решению.

Известный сепаратор содержит патрубок подвода нефтесодержащей воды и патрубки отвода воды и нефти, коалесцирующие фильтроэлементы, выполненные в виде пакетов пластин, расположенных с зазором относительно друг друга и содержащие на своей поверхности по всему наружному контуру борт; вертикальную перегородку, равную высоте борта, у которой верхняя оконечность отстоит от борта, а нижняя примыкает к соответствующему борту; патрубок подвода нефтесодержащей воды и патрубок отвода шлама, закрепленные по нормали на поверхности пластины в нижней ее части по одну сторону перегородки, а также патрубок отвода воды, закрепленный аналогично в нижней части пластины по другую сторону перегородки и патрубок отвода нефти, закрепленный аналогично в верхней части пластины близ борта, при этом, высота всех патрубков относительно поверхности пластины равна высоте ее борта.

Каждый из патрубков имеет сквозные радиальные каналы и сообщается внутренним пространством через соответствующее сквозное отверстие в теле пластины, где он установлен, с пространством противоположной стороны пластины, причем пластины последовательно примыкают друг к другу с плотным сопряжением бортов, перегородок и соответствующих патрубков, а верхняя оконечность перегородки отстоит от борта на расстоянии, соизмеримом с диаметром патрубка отвода нефти.

В известном сепараторе сквозные радиальные каналы в соответствующих патрубках из-за малых сечений обладают повышенным сопротивлением потоку жидкости по отношению к каналам, образованным пластинами. Следовательно, благодаря некоторому градиенту давления на входе и выходе сквозных радиальных каналов полностью исключается вероятность возникновения обратных токов, а следовательно, обратных токов и между каждой парой пластин. Это снижает вероятность образования нестабильности и других аномальных явлений в потоках между пластинами.

Однако очистная способность известного сепаратора, выполненного в виде пакетов пластин, на поверхности которых содержится по наружному контуру борт; вертикальная перегородка, высота которой равна высоте борта, верхняя оконечность которой отстоит от борта, а нижняя примыкает к соответствующему борту и патрубков подвода и отвода рабочей среды, недостаточна.

Основная причина недостаточной степени очистки заключается в том, что при развороте потока вокруг порога, образованного верхней оконечностью вертикальной перегородки, возрастает скорость потока из-за его сужения. Для снижения скорости потока в этой области можно добиться путем увеличения зазора между верхней оконечностью перегородки и бортом.

Такое решение, хотя и снизит горизонтальную скорость потока в верхней части пластин, но одновременно снизит и расстояние между входом в сепаратор и выходом из него очищенной воды, а значит снизит время нахождения разделяемых частиц жидкости внутри сепаратора и, следовательно, снизит качество очистки.

Технической задачей, на выполнение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанного недостатка, а именно повышение очистной способности и эффективности работы пластинчатых фильтроэлементов отстойно-коалесцирующего сепаратора. Указанная техническая задача достигается тем, что в известном отстойно-коалесцирующем сепараторе нефтесодержащих вод, включающем патрубок подвода нефтесодержащей воды и патрубки отвода воды и нефти, коалесцирующие фильтроэлементы, выполненные в виде пластин, расположенных с зазором относительно друг друга, каждая из пластин на своей поверхности содержит расположенный по всему ее наружному контуру борт, вертикальную перегородку, высота которой равна высоте борта, верхняя оконечность которой отстоит от борта, а нижняя примыкает к соответствующему борту; патрубок подвода нефтесодержащей воды и патрубок отвода шлама, закрепленные по нормали на поверхности пластины в нижней ее части по одну сторону перегородки, и патрубок отвода воды, закрепленный аналогично в нижней части пластины по другую сторону перегородки, а также патрубок отвода нефти, закрепленный аналогично в верхней части пластины близ борта, при этом высота всех патрубков относительно поверхности пластины равна высоте ее борта, каждый из патрубков имеет радиальные сквозные каналы и сообщается внутренним пространством через соответствующее сквозное отверстие в теле пластины, где он установлен, с пространством противоположной стороны пластины, причем пластины последовательно примыкают друг к другу с плотным сопряжением бортов, перегородок и соответствующих патрубков, в отличие от него каждая из пластин на своей поверхности содержит дополнительную перегородку, параллельно расположенную первой и равную ей по величине, у которой верхняя оконечность отстоит от борта на расстоянии, соизмеримом с диаметром патрубка отвода нефти, а нижняя примыкает к соответствующему борту, а также установлен дополнительный патрубок отвода очищенной воды с высотой, равной высоте борта и закрепленный аналогично первому в нижней части пластины между перегородкой и бортом, а аналогично выполненный патрубок подвода нефтесодержащей воды установлен диаметрально между первой и дополнительной перегородками в нижней части пластины.

Заявляемый отстойно-коалесцирующий сепаратор, выполненный в виде пакета пластин, расположенных с зазором относительно друг друга и плотным сопряжением бортов, двух перегородок и соответствующих патрубков с радиальными сквозными каналами, обеспечивающими равенство расходов в тонких слоях жидкости между каждой парой пластин, обладает более высокой эффективностью разделения нефтесодержащих вод. Процесс коалесценции в нем происходит при более благоприятном гидродинамическом режиме в образовавшихся между пластинами тонкослойных потоках.

Как известно, основным условием эффективной коалесценции является такой режим потока жидкости, где отсутствуют локальные области высоких скоростей потока в активных зонах сепаратора. Это приводит к тому, что при всплеске скоростей снижается время взаимного контакта между мельчайшими частицами нефти, а значит снижается вероятность их слияния, механизм которого заключается в приближении капли к капле, к пленочному нефтепродукту или к поверхности загрузки, затем деформации капель, затуханию относительных колебаний, утончению пленки, разрыву пленки и переносу содержимого капли в новую дисперсную систему.

Предлагаемый сепаратор в достаточной степени отвечает условию эффективной коалесценции. Установленная параллельно дополнительная перегородка вдвое снижает скорость потока на горизонтальном участке в верхней части пластины между перегородкой, неподвижным слоем скопившейся нефти и бортом, т.к. при наличии второй перегородки общий поток разделяется надвое. Следовательно, благодаря установке дополнительной перегородки ликвидируется область высоких скоростей потока в верхней части пластины. Это в свою очередь увеличивает время взаимного контакта между мельчайшими частицами нефти, а значит увеличивает вероятность их слияния, т.е. коалесценции.

Образовавшаяся между перегородками полость служит первой ступенью грубой очистки сепаратора. Подвод нефтесодержащей воды в нее осуществляется через соответствующий патрубок установленный диаметрально в нижней части пластины.

Полость, образованная между дополнительной перегородкой и бортом служит дополнительной частью второй ступени тонкой очистки сепаратора. Для отвода очищенной воды из дополнительной полости в ее нижней части установлен дополнительный патрубок аналогичный первому. Таким образом, обеспечивается достижение поставленной технической задачи.

Заявляемое устройство поясняется следующими графическими материалами.

На фиг.1 представлен общий вид отстойно-коалесцирующего сепаратора нефтесодержащих вод.

На фиг.2 - вид пластины в плане.

На фиг.3 - вид пластины в сечении.

Отстойно-коалесцирующий сепаратор содержит патрубок подвода нефтесодержащей воды 1, патрубки отвода воды 2, патрубок отвода нефти 3 и патрубок отвода шлама 4, закрепленные по нормали к поверхности каждой из пластин 5. Каждая из пластин 5 на своей поверхности имеет борт 6, две вертикальные перегородки 7, верхние оконечности которых отстоят от борта на расстоянии, соизмеримом с диаметром патрубка отвода нефти, а нижние оконечности примыкают к соответствующему борту, образуя между ними полость грубой очистки 8, отделенную перегородками от полостей тонкой очистки 9, высота которых равна высоте борта. Каждый из патрубков имеет радиальные сквозные каналы 10. Все пластины 5 плотно примыкают друг к другу по бортам 6, перегородкам 7, а также и патрубками 1, 2, 3 и 4. Плотное примыкание пластин 5 друг к другу обеспечивается болтами 11 и гайками 12. К каналам 10 всех патрубков первой пластины присоединены соответствующие патрубки 13 взятия проб воды и нефти с запорной арматурой 14. Сепаратор оборудован необходимыми контрольно-измерительными приборами (не показаны).

Сепаратор используют следующим образом. Нефтесодержащая вода поступает через патрубок 1 и каналы 10 в полость грубой очистки 8 каждой из пластин 5, где в восходящем потоке крупные капли нефти легко всплывают, а мелкие, скоалесцировавшись на олеофильной поверхности пластин, медленно сползают вдоль пластин вверх, где образуется и скапливается пленочный нефтепродукт. Толщина пленки увеличивается в процессе работы сепаратора. При достаточно полном скоплении пленочного нефтепродукта, что контролируют через арматуру 14, его удаляют через патрубок отвода нефти 3. Благодаря сообщению друг с другом патрубков 3 всех пластин 5 происходит его удаление по всем пластинам. Выделившиеся механические примеси оседают в нижней части каждой из полостей 8 грубой очистки, откуда их периодически удаляют через патрубок отвода шлама 4. Удаление шлама происходит также по всем полостям 8, а вода у верха неполных перегородок перетекает через них и поступает в полости тонкой очистки 9 для дополнительной очистки. Здесь, из-за низкой концентрации твердых примесей, ламинарный характер движения жидкости наиболее благоприятен для динамического механизма коалесценции. В результате этого (коалесценции) укрупненные частицы нефти концентрируются в зоне малых скоростей, т.е. вблизи поверхностей пластин, где образуют подвижный слой (шубу, не показано). По мере увеличения его толщины силы плавучести возрастают и слой перемещается вверх в зону скопления пленочного нефтепродукта, откуда его удаляют по патрубку 3, а очищенную воду удаляют через патрубки 2 сепаратора.

Предлагаемый сепаратор отличается высокой удельной очистной способностью, отсутствием тяжелого громоздкого корпуса, а значит набором в одном агрегате такого количества пластин, которое необходимо для получения требуемой производительности. В зависимости от требуемой степени очистки и производительности комплекты пластин могут быть соединены между собой как параллельно, так и последовательно путем переключения штатной запорной арматуры.

При стесненных условиях размещения в помещениях сепаратор может быть расчленен на ряд малых долей с последующим их размещением в различных местах. Отсутствие корпуса и малый вес позволяет оперативно доставлять его по частям на всех видах транспорта в любой район, что важно при чрезвычайных событиях. Сепаратор отличается конструктивной простотой, высоким процентом унифицированных деталей, технологичностью и низкой себестоимостью.

Изобретение относится к отстойно-коалесцирующим сепараторам и может применяться в отраслях, где необходимо очищать нефтесодержащие воды. Сепаратор состоит из пакета пластин, сжатого болтами. Каждая пластина содержит на своей поверхности по всему контуру борт, а также две перегородки и патрубки с радиальными сквозными каналами. Функции боковых поверхностей корпуса выполняют борта пластин, а торцовых поверхностей выполняют крайние пластины пакета. Технический результат состоит в компактности, повышении удельной производительности, регулировании степени очистки путем переключения на ходу параллельной и последовательной работы пластин. 3 ил.

Отстойно-коалесцирующий сепаратор нефтесодержащих вод, включающий патрубок подвода нефтесодержащей воды и патрубки отвода очищенной воды, шлама и нефти, коалесцирующие фильтроэлементы, выполненные в виде пакетов пластин, размещенных с зазором относительно друг друга, с расположенными на поверхности каждой пластины по всему ее наружному контуру бортом и вертикальной перегородкой, нижняя часть которой примыкает к соответствующему борту, а верхняя оконечность перегородки отстоит от борта на расстоянии, соизмеримом с диаметром патрубка отвода нефти, причем патрубки подвода нефтесодержащей воды, отвода очищенной воды, шлама и нефти закреплены по нормали на поверхности каждой пластины и размещены соответственно в нижней и верхней ее части, при этом высота всех патрубков относительно поверхности пластины равна высоте ее борта, высота которого равна высоте перегородки, каждый из патрубков имеет сквозные радиальные каналы и сообщается внутренним пространством через соответствующее сквозное отверстие в теле пластины, где он установлен, с пространством противоположной стороны пластины, а сами пластины плотно прилегают друг к другу бортом, перегородкой и всеми патрубками, отличающийся тем, что каждая из пластин на своей поверхности содержит дополнительную перегородку, параллельно расположенную первой и равную ей по величине, у которой верхняя оконечность отстоит от борта на расстоянии, соизмеримом с диаметром патрубка отвода нефти, а нижняя оконечность примыкает к соответствующему борту, а также дополнительный аналогичный патрубок отвода очищенной воды со сквозными радиальными каналами с высотой, равной высоте борта, закрепленный аналогично первому в нижней части пластины между дополнительной перегородкой и бортом, а патрубок подвода нефтесодержащей воды и патрубок отвода шлама установлены между первой и дополнительной перегородками в нижней части пластины.