УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВОДЯНОГО БАЛЛАСТА ВОДНЫМ РАСТВОРОМ АКРОЛЕИНА Российский патент 2012 года по МПК B01F7/16 C02F1/50 

Известно, что водяной балласт на кораблях можно дезинфицировать, используя акролеин.

Документ "Ballast Water Treatment R&D Directory", 2 изд., ноябрь 2004, выпущенный Международной морской организацией, Лондон, описывает на странице 61, как можно надежно подавить перенос бактерий, водорослей, ракушек дрейссена и других организмов зоопланктона из одного морского порта в другой путем добавления в водяной балласт от 1 до 15 м.д. акролеина.

Преимуществом добавления акролеина является продолжительный эффект, в частности, от личинок ракушек дрейссена, и то, что акролеин сам по себе распадается за несколько дней, а это значит, что в порту назначения не возникнет никакой новой нагрузки на бассейн морского порта этими биоцидами после выпуска водяного балласта.

С одной стороны, вышеуказанные преимущества были доказаны, но с другой стороны, имеется проблема, состоящая в том, что манипуляции, транспортировка и хранение чистого акролеина на судах осуществляться не может, так как акролеин является очень ядовитой жидкостью с эффектом слезоточивого газа, и команда судна будет вынуждена обращаться с этим биоцидом только после того, как будет полностью защищена защитным костюмом "ЯВХ" (ЯВХ = ядерным, биологическим и химическим) и одновременно будет использовать маски.

Водный раствор акролеина не ядовит, и с ним можно обращаться без опаски. Однако этот раствор стабилен всего несколько дней, так что его применение на судах невозможно из-за проблем доставки.

Предпринималось много попыток преодолеть вышеуказанные трудности тем, чтобы вместо акролеина использовать менее опасное производное акролеина.

Патент США-A-5183944 предлагает вместо акролеина разлагать в месте применения неядовитый водный ацеталь акролеина водным раствором кислоты и после этого удалять акролеин, образовавшийся из ацеталя, из реакционной смеси с помощью потока инертного газа. Поток инертного газа, содержащего акролеин, служит затем для обработки воды. Для применения этого способа на борту корабля должны быть установлены абсолютно надежные трубопроводы с двойными стенками для сильно ядовитой смеси акролеина и газа.

После введения содержащих акролеин газов в цистерну для водяного балласта инертный газ выпускается через вентиляционные каналы цистерны водяного балласта, и он все еще содержит такое количество остаточного акролеина, что работа на палубе невозможна из-за эффекта слезоточивого газа, и из-за того, что создаются опасные для работы условия. Кроме того, в способе согласно указанному патенту образуется содержащий воду остаточный продукт, который утилизировать на борту корабля можно лишь с большим трудом.

В патенте США 5560833 предлагается использовать спиртовой раствор ацеталя акролеина и кислотное разложение для образования раствора акролеина в месте применения. Ацеталь акролеина, растворенный в изопропиловом спирте, и разбавленная 10%-ная неорганическая кислота, смешиваются под давлением в трубчатом змеевике для получения гомогенного реакционного раствора. После этого смесь медленно пропускают через резервуар-хранилище при ламинарном течении, пока деацетализация ацеталя акролеина не будет полностью завершена.

В другом варианте осуществления патента США 5560833 в качестве резервуара-хранилища вместо самого резервуара-хранилища используется циркуляционный смеситель в форме трубы, без сильной внутренней турбулентности и с медленно движущейся многолопастной мешалкой. Трубчатый змеевик для перемешивания спиртового раствора ацеталя и разбавленной неорганической кислоты в этом примере выполнен как внутренняя установка коаксиально с мешалкой трубчатой формы.

Непременным условием осуществления этого способа получения акролеина на борту корабля является то, что предварительное смешение изопропилового спирта и ацеталя, а также предварительное смешение концентрированной неорганической кислоты и воды должно проводиться на месте. Согласно описанного патента US-A-5560833, эти две предварительные смеси должны переноситься каждая в резервуар высокого давления, чтобы стать готовыми к применению.

Для обеих операций на борту морского судна не имеется обученного персонала. Кроме того, при обращении с легко улетучивающимися огнеопасными C1-C3-спиртами без защитного газа имеется опасность возникновения пожара. При осуществлении способа согласно патенту США 5560833 было обнаружено, что предлагаемые устройства будут иметь короткий срок службы и после этого станут непригодными, если только они не состоят из стекла, а состоит из стойкой к кислотам высокосортной стали, как обычно.

После короткого периода работы устройства согласно патенту США 5560833 на стенках резервуара-хранилища из высокосортной стали и на имеющих трубчатую форму мешалках, которые контактировали с жидкостью, образуется смолоподобное покрытие из бисакролеина и других продуктов конденсации акролеина. Эти неблагоприятные результаты встречались, в частности, в местах с ламинарным течением и с только низкой турбулентностью.

Из-за вышеназванных недостатков предложенные выше устройства согласно патентам США 5183944, 5560833 не могут применяться для обработки водяного балласта акролеином на борту кораблей.

Целью настоящего изобретения является создание устройства, легкого в установке, с помощью которого можно обрабатывать водяной балласт акролеином на борту корабля, с гарантией работы этого устройства в течение долгого времени без возникновения опасных рабочих условий и/или без необходимости проводить предварительное смешение.

Для достижения этой цели устройство по изобретению отличается тем, что водяной балласт закачивается через водоструйный насос с помощью нагнетательного насоса, и зона отрицательного давления водоструйного насоса гидравлически сообщена через регулирующий клапан с некруговым закрытым реакционным сосудом, который не содержит никаких внутренних установок, но содержит установленное не по центру средство интенсивного перемешивания и отдельные впускные каналы для подачи снаружи ацеталя акролеина, кислоты и воды для гидролиза. Несмотря на простоту этой конструкции, достигается очень надежная и безотказная обработка водяного балласта разбавленным водным раствором акролеина.

Следующее преимущество состоит в том, что нигде в устройстве не присутствует чистый акролеин, что означает дополнительную защиту от возникновения опасных режимов работы. Безопасная эксплуатация устройств обеспечивается также после изменения или прерывания подачи водяного балласта. Так как некруговой реакционный сосуд, в котором происходит деацетализация, всегда полностью наполнен, безотказная работа устройства не ухудшится и в случае тяжелых условий на море.

Результатом установки средства интенсивного перемешивания не по центру является то, что в некруговом реакционном сосуде не образуется никаких перемешиваемых форм в виде сгустков и в случае высокого поступления энергии на перемешивание, и таким образом, устраняется одна из основных причин появления смолистых покрытий на металлических стенках устройства.

Описанное выше компактное устройство обработки водяного балласта акролеином обеспечивает множество важных технических преимуществ. Ацеталь акролеина можно напрямую использовать с устройством согласно изобретению без необходимости предварительного смешения с растворителем. Это же справедливо для кислоты, которая используется в качестве катализатора, причем кислота может дозироваться в устройство в том виде, в каком поступила, и без предварительного разбавления водой. С конструкцией устройства согласно изобретению особенно выгодно то, что для подачи воды на гидролиз может использоваться уже имеющаяся на борту система водоснабжения, благодаря чему дополнительные дозирующие насосы и устройства регулирования становятся ненужными. В частности, подача в устройство воды при фиксированном расходе, независимо от его рабочего состояния, является дополнительной мерой защиты от бессмысленной работы или в случае остановки электропитания.

В устройстве согласно изобретению для обработки водяного балласта акролеином подачу водного раствора акролеина регулирует единственный регулирующий клапан в соединительных линиях между некруговым реакционным сосудом и зоной отрицательного давления водоструйного насоса. Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, регулирующий клапан является защитным клапаном с регулируемым давлением открытия, благодаря чему обеспечивается протекание раствора акролеина в зону отрицательного давления только в случае работы нагнетательного насоса.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, некруговой реакционный сосуд имеет форму закрытого ящика. Высота ящика соответствует приблизительно его ширине, а отношение длины ящика к его высоте составляет 1,2.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, средство интенсивного перемешивания имеет форму турбинной мешалки, причем подвод энергии на перемешивание на кубический метр объема ящика составляет свыше 500 ватт. Диаметр турбинной мешалки равен 0,3 ширины ящика.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, средство интенсивного перемешивания размещено во внутреннем объеме ящика со смещением от центра относительно длины ящика. Отношение эксцентриситета к длине ящика составляет примерно от 0,1 до 0,2. Расстояние от средства интенсивного перемешивания до дна ящика приблизительно равно диаметру турбинной мешалки.

Ящик, согласно изобретению, для приготовления водного раствора акролеина отличается также тремя впускными каналами для ацеталя акролеина, кислоты-катализатора и для гидролизной воды.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, впускные каналы для ацеталя акролеина и кислоты-катализатора являются отрезками трубы, которые приварены к крышке ящика. На двух отрезках трубы установлены обратные клапаны, которые предотвращают попадание водного раствора акролеина из ящика в линии подачи ацеталя акролеина и кислоты-катализатора.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, впускной канал для подачи воды для гидролиза в ящик является круговым зазором между валом мешалки и отверстием для вала мешалки в крышке ящика. Гидролизная вода попадает в круговой зазор через отрезок трубы у уплотнительной втулки вала мешалки и образует тем самым поток воды, препятствующий выходу водного раствора акролеина из ящика.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, ящик содержит наружную охлаждающую рубашку, имеющую каналы для подачи и отведения охлаждающей воды, так что реакционный раствор в ящике может поддерживаться при температуре ниже 35°C.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, средство интенсивного перемешивания приводится в действие электродвигателем, скорость вращения которого подбирается с помощью преобразователя частоты.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, устройство содержит электрический или пневматический блок управления, который прерывает подачу ацеталя акролеина и кислоты-катализатора в ящик в случае, если давление в зоне отрицательного давления водоструйного насоса превысит заданное значение.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, устройство содержит электрический или пневматический блок управления, который прерывает подачу ацеталя акролеина и кислоты-катализатора в ящик в случае, если прерывается подача гидролизной воды.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, устройство содержит электрический или пневматический блок управления, который прерывает подачу ацеталя акролеина и кислоты-катализатора в ящик в случае, если приводной двигатель вала мешалки остановлен.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, электродвигатель, регулируемый преобразователем частоты, служит приводным механизмом для нагнетательного насоса, благодаря чему достигается эффективный контроль давления на входе водоструйного насоса, и контроль устройства согласно изобретению может несложно проводиться с помощью аналоговых или цифровых вычислительных систем.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, предусмотрен блок управления, который предназначен для регулирования скорости вращения нагнетательного насоса в зависимости от технологических параметров устройства обработки водяного балласта акролеином.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, технологическим параметром является перепад давления между подачей и выпуском водоструйного насоса.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения, блок управления на основе перепада давления содержит по меньшей мере два датчика давления и преобразователь данных измерения, который предназначен для определения разности давления из данных, измеренных датчиками давления, чтобы провести сравнение между номинальным значением и фактическим значением и выдать результирующий управляющий сигнал на регулятор скорости вращения мотора.

Далее варианты осуществления изобретения описываются с обращением к приложенным чертежам, на которых изобретено следующее:

фиг.1 схематически показывает некруговой реакционный сосуд в форме закрытого ящика, в котором не по центру установлено устройство интенсивного перемешивания;

фиг.2 схематически показывает соответствующую блок-схему устройства согласно изобретению для обработки водяного балласта акролеином; и

фиг.3 схематически показывает подачу гидролизной воды в ящик.

Как показано на фиг.1, некруговой реакционный сосуд имеет форму закрытого ящика K. Ящик K имеет высоту A, ширину B и длину C и не содержит никаких внутренних стационарных устройств. Элемент интенсивного перемешивания T жестко закреплен на валу S мешалки. Вал S мешалки проходит через отверстие O в крышке ящика. Вал S мешалки и, таким образом, смесительный элемент T установлены со смещением от центра на расстояние E от середины длины ящика C. Смесительный элемент имеет диаметр D и находится на расстоянии F от дна ящика. Как альтернатива (не показано), внутри ящика K можно разместить несколько элементов интенсивного перемешивания.

Скорость вращения смесительного элемента T может меняться так, чтобы создавалась механическая мощность перемешивания по меньшей мере 500 ватт на кубический метр объема ящика. Ящик K полностью заполнен реакционной жидкостью, он не содержит никаких сгустков жидкости благодаря высокой турбулентности, и не происходит никакого образования смолы из водного акролеина, так как не имеется внутренних стационарных установок.

Детали устройства по изобретению можно рассмотреть на фиг.2. Как можно видеть из фиг.2, поток VE (объем в единицу времени) водяного балласта для обработки акролеином течет по линии L7 в всасывающий патрубок нагнетательного насоса VP. Водяной балласт течет по напорной линии L8 в водоструйный насос Z и смешивается с водным раствором акролеина, засасываемым в зону отрицательного давления через регулирующий клапан SV. Водяной балласт, обработанный акролеином, выводится из устройства по изобретению по линии L9 как поток VO (объем в единицу времени).

Скорость вращения нагнетательного насоса VP можно менять. Например, приводной двигатель MP может быть трехфазным двигателем, скорость вращения которого регулируется преобразователем частоты FC. Этот преобразователь частоты соединен с сетевым кабелем переменного тока и получает свой управляющий сигнал как сигнальный ток, например 4-20 мА (или как сигнальное напряжение 0-5 вольт от контроллера, обозначенного ΔP на фиг.2, и от преобразователя данных измерения).

Блок ΔP управления соединен с двумя датчиками P1 и P3 давления. Преобразователь данных измерения блока ΔP управления рассчитывает перепад давления, исходя из входных сигналов датчиков P1, P3 давления, и сравнивает этот перепад давления с заданным номинальным значением. Отклонение между номинальным значением и фактическим значением подается на преобразователь частоты FC как управляющий сигнал. С помощью этой схемы регулирования обеспечивается, что давление P2 в зоне отрицательного давления водоструйного насоса Z не превысит минимального значения также и в случае изменения подачи водяного балласта, и что подача водного раствора акролеина в водяной балласт регулируется непрерывно и без нарушений.

Как показано на фиг.2, зона отрицательного давления водоструйного насоса Z гидравлически сообщена со спускным каналом L6, приваренным к ящику K, через регулирующий клапан SV. Реакционная жидкость из ящика K течет по каналу L6 в водоструйный насос из-за разницы давления между низким избыточным давлением внутри ящика K и отрицательным давлением P2 в зоне отрицательного давления водоструйного насоса Z.

Благодаря этой предпочтительной конструкции устройства согласно изобретению, не требуется отдельный питающий насос для разбавленного водного раствора акролеина, в результате чего надежность функционирования устройства значительно повышается.

Ящик K содержит наружную охлаждающую рубашку KM, имеющую подводящий патрубок L4 для потока KWE хладагента и выпускной патрубок L5 для выпуска потока KWO хладагента. Охлаждающим средством может служить вода или другой обычный хладагент.

Ящик K не содержит никаких стационарных внутренних установок, кроме мешалки, расположенной эксцентрично относительно продольной оси ящика, причем мешалка состоит из смесительного элемента T, который показан как перемешивающая турбина, и вала S мешалки, который соединен с приводным двигателем MR.

Отверстие О для вала S мешалки в верхней крышке ящика имеет несколько больший диаметр, чем сам вал мешалки. Вал мешалки размещен центрально по оси относительно отверстия O. Гидролизная вода W, которая необходима для гидролиза ацеталя акролеина, течет через круговой зазор между отверстием O и валом S. Уплотнительная втулка BU, полая внутри, герметично ввинчена в крышку ящика. На своем верхнем конце втулка BU изолирована от вала S мешалки посредством сальника или фазового уплотнения, чтобы избежать утечки воды или реакционной жидкости из ящика K.

Питающая линия L3 для подаваемой непрерывно гидролизной воды W ввинчена в уплотнительную втулку BU.

Благодаря описанному предпочтительному варианту осуществления изобретения гидролизная вода W одновременно служит также блокирующей водой для механического уплотнения вала S мешалки относительно ящика K.

Крышка ящика имеет, кроме того, впускные каналы, которые размещаются как можно дальше от выпускного канала 6. Питающая линия L2 непрерывно подает в ящик K кислоту HS, которая необходима для разложения ацеталя акролеина. Питающая линия L1 непрерывно подает ацеталь акролеина в ящик K. Чтобы воспрепятствовать жидкости попадать из ящика K в питающие линии L1 и L2, эти линии снабжены обратными клапанами RV1 и RV2.

На практике давление в питающей линии L3 для гидролизной воды W будет составлять несколько бар, и, следовательно, иметь обратный клапан в этой питающей линии не требуется.

При включении устройства согласно изобретению и во время обработки водяного балласта водным раствором акролеина, количество гидролизной воды, подаваемой в единицу времени, можно установить фиксированным. Таким образом, обеспечивается, что ящик K и линия L6 вначале полностью заполнены водой. После этого запускается мешалка MR. Как только установится номинальная работа нагнетательного насоса VP, и отрицательное давление P2 достигнет предписанного значения, начинается непрерывная подача кислоты HX по питающей линии L2 в ящик K. Кислота, как указывается в патенте США 5183944, может быть любой кислотой для деацетализации. Через несколько минут после начала подачи кислоты запускается питающий насос для ацеталя акролеина AC, и ацеталь акролеина закачивается по питающей линии L1 в ящик K.

По окончании обработки водяного балласта питающие потоки ацеталя акролеина AC, кислоты HX и гидролизной воды W выключаются в обратной последовательности, чем обеспечивается, что в конце устройство снова будет наполнено только водой.

В случае, если при обработке водяного балласта возникнет какое-либо нарушение, например, из-за остановки насоса VP, и в случае, как результат этого, если отрицательное давление P2 превысит предписанное значение, питающие потоки ацеталя акролеина AC и кислоты HX в ящик K выключаются схемой защиты (не показана).

Детали схемы выключения воды и подачи гидролизной воды W в ящик K устройства по изобретению можно видеть на фиг.3.

Как показано на фиг.3, втулка BU, которая герметично изолирует ящик K, образована как полый цилиндр. На верхнем крае втулки BU установлено механическое уплотнение GD вала S мешалки. Уплотнение GD может быть сальником, имеющим уплотнительные кольца, или, предпочтительно, фазовым уплотнением.

Втулка BU содержит резьбовое отверстие или штуцер, с которым герметично соединена питающая линия L3 для гидролизной воды W.

Гидролизная вода W вводится под давлением через трубопровод L3 и через обратный клапан во втулку BU сбоку, течет вокруг вала мешалки в направлении кругового зазора, который образован отверстием O в крышке ящика и валом мешалки, установленным в отверстии О центрально по оси, и вниз в объем ящика K.

Из-за условий вынужденного течения в круговом зазоре реакционный раствор не может попасть из внутреннего объема ящика K внутрь втулки BU.

Если уплотнение GD откажет, из устройства по изобретению будет вытекать вода, но не реакционный раствор.

Изобретение относится к обработке водяного балласта водным раствором акролеина и может использоваться для дезинфекции водяного балласта на кораблях. Водяной балласт закачивают через водоструйный насос с помощью нагнетательного насоса. Зона отрицательного давления водоструйного насоса гидравлически сообщена с некруговым, закрытым реакционным сосудом посредством регулирующего клапана. Реакционный сосуд содержит установленное не по центру средство интенсивного перемешивания и отдельные впускные каналы для ацеталя акролеина, кислоты и воды для гидролиза, расположенные снаружи него. Технический результат состоит в обеспечении гарантированной работы устройства без возникновения опасных рабочих условий и предварительного смешивания. 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для обработки водяного балласта водным раствором акролеина, отличающееся тем, что водяной балласт закачивается через водоструйный насос (Z) с помощью нагнетательного насоса (VP), и зона отрицательного давления водоструйного насоса гидравлически сообщена с некруговым закрытым реакционным сосудом через регулирующий клапан (SV), причем реакционный сосуд содержит эксцентрически установленное средство (Т) интенсивного перемешивания и отдельные впускные каналы для ацеталя акролеина (АС), кислоты (НХ) и воды для гидролиза (W), расположенные снаружи сосуда.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство (Т) интенсивного перемешивания является турбинной мешалкой.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что некруговой реакционный сосуд имеет форму закрытого ящика (K).

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что энергия на перемешивание, вводимая механически в ящик, превышает 0,5 кВт на кубический метр объема ящика.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что соотношение размеров высоты (А), длины (С) и ширины (В) ящика (K) составляет приблизительно 1:1,2:1.

6. Устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что отношение ширины ящика (В) к диаметру (D) турбинной мешалки составляет приблизительно 3, и отношение диаметра (D) турбинной мешалки к расстоянию (F) до дна ящика составляет приблизительно 1.

7. Устройство по одному из пп.1-5, отличающееся тем, что эксцентриситет (Е) вала средства интенсивного перемешивания составляет приблизительно от 0,1 до 0,2 длины (С) ящика.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что впускное отверстие для гидролизной воды является круговым зазором между валом (S) средства интенсивного перемешивания и отверстием (О) для указанного вала в крышке ящика.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ящик (K) полностью заполнен жидкостью.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ящик (K) содержит наружную охлаждающую рубашку (KМ).

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутри ящика (К) расположены несколько средств интенсивного перемешивания.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит электродвигатель (МР), регулируемый преобразователем (FC) частоты и служащий приводом нагнетательного насоса (VP).

13. Устройство по п.1 или 11, отличающееся тем, что содержит блок (ДР) управления, осуществляющий сравнение номинального значения с фактическим значением путем измерения разности давления водяного балласта на выходе нагнетательного насоса (Р1) и на выходе средства (Р3) и выдающий результирующий управляющий сигнал на преобразователь частоты (FC) нагнетательного насоса (VР).