Устройство для удаления нефтепродуктов с поверхности воды
DEVICE FOR REMOVING OIL PRODUCTS FROM THE WATER SURFACE

Изобретение относится к технике очистки водной поверхности от жидких загрязнений, преимущественно от нефтепродуктов.
Известно устройство сбора нефти с поверхности воды, включающее плавающий корпус, завихритель с вертикальным приводным валом и откачивающий насос и соединенный с ним нефтеприемный патрубок, установленный соосно с валом завихрителя (SU 1654449 [1]). Недостатком известного устройства является низкая эффективность, обусловленная тем, что в устройстве не предусмотрены средства контроля для оптимального размещения нефтеприемного патрубка, что в свою очередь приводит либо к захвату большого количества воды в откачивающее устройство, либо к оставлению нефтепродукта на водной поверхности.
Известно устройство для сбора нефтепродуктов с поверхности воды, включающее плавающий корпус, с пpиводным завихpителем и pазмещенный в центpе завихpителя нефтепpиемный стакан с откачивающим патpубком (RU 2010090 [2]). Возможность приемного стакана опускаться ниже уровня загрязнения обеспечивает возможность оптимизировать очистку водной поверхности, однако отсутствие средств контроля уровня погружения снижает эффективность устройства.
Известно устройство для сбора нефтепродуктов с поверхности воды включающее вихревую камеру с входом и выходом для собираемой нефти, привод для ее вращения, завихритель, поплавки, силовую раму, емкость для накопления собранной нефти, трубопровод, насос (RU 2213180 [3]). Конструкция устройства предполагает наличие средства вертикального перемещения вихревой камеры и системы автоматического поддержания требуемой величины зазора между зеркалом нефти и плоскостью вершины усеченной профилированной воронки, конструктивные особенности которых и средства реализации не указаны. Описывая это устройство авторы указывают, что эффективность сбора разлитой нефти (нефтепродуктов) с помощью предлагаемого устройства главным образом зависит от кинематических характеристик и позиционирования вихревой камеры относительно поверхности разлитых нефтепродуктов, т.е. от угловой скорости вращения вихревой камеры и величины зазора между зеркалом нефти и плоскостью входного отверстия в воронку. Оптимальные значения этих параметров зависят от физико-химических параметров разлитого нефтепродукта, от состояния поверхности, на которую разлит нефтепродукт, от погодных условий и т.д. Оптимальные значения скорости вращения вихревой камеры и величины зазора между зеркалом собираемого нефтепродукта и плоскостью отверстия в вершине воронки необходимо подбирать для каждого конкретного случая экспериментально в ходе настройки устройства.
Таким образом к недостаткам известного устройства следует отнести не только сложность конструкции и его эксплуатации, но и невысокую эффективность, обусловленную отсутствием средств оптимизации условий работы устройства в зависимости от условий эксплуатации и от физико-химических параметров разлитого нефтепродукта и воды, на которую разлит нефтепродукт.
Наиболее близким к заявляемому по своей конструкции является устройство для сбора нефтепродуктов с поверхности воды включающее завихритель для образования воронки на водной поверхности, открытый сверху цилиндрический стакан и устройство для отбора и перекачки собираемых нефтепродуктов в отдельно расположенную емкость(SU 458136 [4]).
Недостатком известного устройства является его низкая эффективность, обусловленная отсутствием средств оптимизации режимов работы.
Заявляемое устройство для сбора нефтепродуктов с поверхности воды направлено на повышение эффективности сбора нефтепродуктов.
Указанный результат достигается тем, что устройство для сбора нефтепродуктов с поверхности воды, включает открытый сверху цилиндрический стакан, средство создание вихревой воронки с приводом его вращения и средство откачки собираемых нефтепродуктов. При этом средство создания вихря выполнено в виде упомянутого стакана, снабженного средствами его перемещения по высоте, а привод его вращения снабжен блоком управления. Выход блока управления соединен с приводом вращения стакана, а входы - с измерителями плотности воды и собираемого нефтепродукта, измерителями вязкости воды и нефтепродукта, измерителем толщины слоя нефтепродукта и средства измерения глубины погружения верхней кромки стакана от границы раздела «вода-нефтепродукт», при этом торец приемного патрубка средства откачки нефтепродукта размещен ниже верхнего торца стакана на величину Н/2, где Н - высота стакана.
Отличительными признаками заявляемого устройства являются:
- выполнение средства создания вихревой воронки в виде цилиндрического стакана, снабженного приводом его вращения;
- стакан снабжен средством его перемещения по высоте;
- привод вращения снабжен блоком управления, выход которого соединен с приводом вращения стакана, а входы - с измерителями плотности воды и собираемого нефтепродукта, измерителями вязкости воды и нефтепродукта, измерителем толщины слоя нефтепродукта и средства измерения глубины погружения верхней кромки стакана от границы раздела «вода-нефтепродукт»;
- торец приемного патрубка средства откачки нефтепродукта размещен ниже верхнего торца стакана на величину Н/2, где Н - высота стакана.
Авторами экспериментально было установлено, что вращение стакана в виде полого цилиндра приводит к формированию вихревой воронки внутри объема цилиндра. А из уровня техники известно (см. [2], [3], [4]), что если на поверхности воды присутствуют нефтепродукты, то происходит разделение водной и нефтяной фракций в вихре. Таким образом отпадает необходимость в наличии средств, в виде винтов, струйных насосов и т.д., специально предназначенных для создания вихревой воронки, что упрощает конструкцию.
Снабжение стакана средством его перемещения по высоте позволяет устанавливать его погруженным на глубину, которая будет обеспечивать наиболее оптимальные условия работы устройства, что положительно скажется на его эффективности.
Так же было установлено, что форма и размеры нефтяной части составного вихря зависят от целого ряда параметров - толщины слоя нефтепродукта на поверхности воды, плотности и кинематической вязкости воды и удаляемых нефтепродуктов. В экспериментах использовались различные нефтепродукты и масла - подсолнечное масло, смесь подсолнечного масла и дизельного топлива в равных пропорциях, нефть, дизельное топливо.
В результате аналитической обработки экспериментальных данных удалось установить эмпирические зависимости оптимальных режимов осуществления способа в зависимости от свойств нефтепродукта и состояния водной среды водоема, на поверхности которого этот нефтепродукт находится. В частности, было установлено, что оптимальную глубину погружения h верхней кромки стакана от границы раздела «вода-нефтепродукт», целесообразно определять по математическими зависимостям:
где h - глубина погружения верхней кромки стакана от границы раздела «вода-нефтепродукт», м;
Н - высота стакана, м;
3
, - плотность воды, кг/м;
3
- плотности нефти, кг/м;
2
- кинематическая вязкость воды, м/c;
2
- кинематическая вязкость нефти, м/c,
а оптимальную угловую частоту вращения стакана ω можно определить по зависимости:
где  - радиус стакана, м;
- толщина слоя нефтепродукта на поверхности воды, м;
2
- гравитационное ускорение, м/c.
А для того, чтобы обеспечить оптимальные условия работы устройства и его высокую эффективность необходимо получать данные о параметрах, включенных в приведенные выше математические выражения. Поэтому устройство снабжается измерителями плотности воды и собираемого нефтепродукта, измерителями вязкости воды и нефтепродукта, измерителем толщины слоя нефтепродукта и средством измерения глубины погружения верхней кромки стакана от границы раздела «вода-нефтепродукт». Соответствующие данные поступают в блок управления, обрабатываются и сформированное управляющее воздействие поступает на привод вращения стакана.
Опытным путем было установлено, что оптимальное расположение торца приемного патрубка средства откачки нефтепродукта в нефтяной части составного вихря, (торец приемного патрубка средства откачки нефтепродукта размещен ниже верхнего торца стакана на величину Н/2, где Н - высота стакана) при работающем насосе приводит к отбору только нефти из составного вихря и транспортировку её к месту сбора по гибкому шлангу. Возникающий дефицит нефти в составном вихре тут же восполняется нефтью с поверхности, что приводит к непрерывному сбору нефтепродуктов с поверхности воды.
Сущность заявляемого устройства поясняется примером реализации и графическими материалами. На фиг. 1 представлена принципиальная схема реализации устройства. На фиг. 2 представлены типичные формы составного вихря при различных скоростях вращения стакана и различных нефтепродуктов. На фиг. 3 представлена блок-схема устройства. На фиг. 4 схематично представлен механизм перемещения стакана по вертикали.
Устройство содержит полый цилиндрический стакан 1, который снабжен приводом его вращения 2 с блоком его управления 3. Привод может быть выбран из числа известных, а в качестве блока управления может быть использован компьютер, снабженный соответствующим программным обеспечением. К входам блока управления подсоединены измерители плотности воды и собираемого нефтепродукта 4, измерители вязкости воды и нефтепродукта 5, измеритель толщины слоя нефтепродукта 6 и средство измерения глубины погружения верхней кромки стакана от границы раздела «вода-нефтепродукт» 7. Кроме того, предусматриваются средства обеспечивающие перемещение стакана по высоте с тем, чтобы можно было регулировать глубину его погружения. Например, это может быть вертикально перемещаемый кронштейн 9 с закрепленным на нем устройством, снабженный механизмом 10 его вертикального перемещения, который закреплен на судне-носителе 11. Все узлы и блоки, входящие в состав предлагаемого устройства выбираются из числа известных.
Например, для измерения плотности воды может быть использован прибор «Измеритель плотности жидкости AUTO MD3051A51H8», серийно выпускаемый фирмой «Yantal Auto Instrument Making Co. Ltd.» (Китай), или прибор «Измеритель плотности жидкости или жидкой смеси TOYE TY-C1000-2F80-M4SF22», серийно выпускаемый фирмой «Zhengzhou Winbell Measurement And Control Technology Co. Ltd.»
(Китай), или прибор «Радарный измеритель плотности воды Aipuxin APXRD806», серийно выпускаемый фирмой «Shandong Aipuxin Automation Instruments Co. Ltd.» (Китай). Для измерения плотности собираемого нефтепродукта может быть использован прибор «Измеритель плотности жидкости AUTO MD3051A51H8», серийно выпускаемый фирмой «Yantal Auto Instrument Making Co. Ltd.» (Китай), или прибор «Измеритель плотности жидкости или жидкой смеси TOYE TY-C1000-2F80-M4SF22», серийно выпускаемый фирмой «Zhengzhou Winbell Measurement And Control Technology Co. Ltd.» (Китай), или прибор «Измеритель плотности вилочного типа Shelok YY-886», серийно выпускаемый фирмой «Xi’an Yunui Instrument Co. Ltd.» (Китай), так как они позволяют проводить онлайн-измерения плотности широкого класса жидкостей, в том числе и агрессивных. Для измерения вязкости воды и нефтепродукта целесообразно применять прибор «Вискозиметр ротационный (по Брукфильду) Roravisc me-vi HELI Complete», серийно выпускаемый фирмой IKA-WERKE (Германия), или прибор «Вискозиметр вибрационный SV-10A», серийно выпускаемый фирмой AND (Япония), или прибор «Вискозиметр ротационный TQC Vr3000», серийно выпускаемый фирмой Thermoimport Quality Control (Нидерланды), так как они позволяют измерять динамическую вязкость широкого класса жидкостей в онлайн режиме. В качестве датчика гидростатического давления можно использовать прибор «Датчик гидростатического давления GP-M010», серийно выпускаемый фирмой Keyence (Япония), или прибор «Погружаемый гидростатический датчик уровня (давления столба жидкости) ОВЕН ПД100И-ДГО.016-167-1,5.2», серийно выпускаемый фирмой «ОвенКомплектАвтоматика» (Россия), или прибор «Гидростатический преобразователь давления ДИ/Г-26», серийно выпускаемый фирмой «Измеркон» (Россия), так они обеспечивают измерение гидростатического давления под поверхностью воды в точке погружения и пересчёт с помощью прошитого программного обеспечения результата измерений в величину глубины погружения. Для измерения толщины слоя нефти может быть использован прибор «Радиометрический измеритель толщины слоя нефти на поверхности воды» КТС РМК-И», серийно выпускаемый фирмой ГУП НПП «Полёт» (Россия), или прибор «Ультразвуковой измеритель слоя нефти на водной и земной поверхностях КТ-3С», серийно выпускаемый фирмой ГУП НПП «Полёт» (Россия), так как, на основании прошитого собственного программного обеспечения, они обеспечивают измерение толщины слоя нефтепродукта, разлитого по известной поверхности.
Устройство используется следующим образом. На месте разлива нефтепродуктов на поверхности водоема полый стакан 1 погружается на некоторую глубину с помощью средства 8 и с помощью входящих в состав устройства средств измерения 4,5,6, и7 определяются параметры, необходимые для расчета оптимальных условий эксплуатации. Результаты измерений поступают в блок управления 2, который в соответствии с имеющейся в нем программой производит необходимые расчеты и устанавливает с помощью средства 8 необходимую глубину погружения. На основании расчета вырабатывается командное воздействие на привод 2 вращения стакана 1, который и приводится во вращение с расчетной скоростью.
Поскольку введенные в состав устройства средства измерения параметров жидкостей и глубины погружения стакана работают в режиме онлайн, то при их изменении блок управления оперативно вносит изменения в режимы вращения стакана и глубину его погружения.
В результате в средство откачки нефтепродукта поступает только собираемый нефтепродукт без примесей воды или с минимальным ее количеством.