ФИЛЬТР ДЛЯ ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ВОД

Полезная модель относится к фильтрам для очистки нефтесодержащих (НСВ) льяльных вод от нефтепродуктов на морском и речном флоте, а также может найти применение в хозяйственно-питьевом, промышленном и в оборотном производственном водоснабжении. В настоящее время существует проблема очистки НСВ на многочисленном маломерном флоте, требующем фильтры портативного исполнения (катерах, яхтах и др.), в местах их массового базирования и технического обслуживания, а также на береговых автобазах, нефтебазах и котельных.
Как известно коалесцирующие фильтры для очистки воды от нефти подразделяются на два типа - гидродинамические и контактные. Принцип действия их гидродинамических типов фильтров объясняется принудительным сближением и последующей коалесценцией диспергированных в воде капелек нефтепродуктов между собой, а в контактных типах принцип действия основан на сближении и последующей коалесценции капелек нефтепродуктов с поверхностью загрузки.
Механизм коалесценции (срастания, слияния) мельчайших нефтяных капель заключается в приближении капли к капле, или к поверхности загрузки, контактированию, деформации капли, уменьшению свободной энергии системы и затуханию относительных колебаний, утончению пленки, разрыву пленки и переносу содержимого капли в новую дисперсную систему.
В настоящее время основную роль играет контактный по типу механизм коалесценции. Для этого широко используются фильтры имеющие загрузку в виде зернистых, волокнистых, гранулированных, пористых, эластичные и других материалов, обладающих гидрофобизированными, адгезионными и сорбционными свойствами, а также высокой нефтеемкостью.
Общим для данных известных фильтров является короткий путь фильтрации, образованный слоем загрузки, эффективность очистки которой ухудшается из-за засорения мусором и нефтепродуктами, фронт которых перемещается вглубь слоя к его нижней границе.
Следствием этого 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, что требует проводить периодическую регенерацию загрузки, либо ее полную замену с последующей утилизацией.
Общеизвестно, что в мертвых зонах резко снижается вероятность столкновения и коалесценции мельчайших частиц нефти, а в зонах всплеска скоростей потока из-за сохранения общего расхода жидкости снижается время контакта частиц, что, в свою очередь, снижает вероятность их слияния.
Известно устройство для удаления из воды нефтепродуктов и масел, содержащее корпус, фильтрующую камеру, фильтрующий элемент (например, пенополиуретан), выносной узел регенерации, ковшовый элеватор (А.С. СССР №592919).
Регенерация фильтрующего элемента в известном устройстве осуществляется путем отжатия его на валках в выносном узле регенерации. Подача кусков пенополиуретана к отжимным валкам осуществляется ковшовым элеватором, расположенным в массе загрузки.
Недостатком этого известного устройства является короткий путь фильтрации, низкое качество очистки фильтрата, громоздкость, механические повреждения кусков пенополиуретана подвижными механизмами, неизбежный вынос измельченной крошки со сточными водами и регенератом.
Известен фильтр для очистки нефтесодержащих вод, который выполнен в виде вертикально расположенного корпуса, часть которого служит фильтрующей камерой, где расположен эластичный фильтрующий элемент, снабженный насосом (заявка на А.С. СССР №3497252/23-26).
Недостатками этого известного устройства являются низкое качество очистки фильтрата из-за короткого пути фильтрации, вторичного передиспергирования капель нефтепродуктов внутри эластичного фильтрующего элемента, сложности конструкции из-за необходимости приложения высоких давлений при регенерации фильтрующего элемента, неравномерности передачи давления и связанная с этим неравномерность степени сжатия материала из-за его расклинивания в жестком корпусе, приводящая к некачественной регенерации.
Известен также фильтр для очистки воды, содержащий корпус с перфорированными перегородками, на которых размещена фильтрующая загрузка с крупностью гранул, убывающей по ходу движения обрабатываемой воды, в промывочную систему, состоящую из ввода промывочной воды и отвода загрязнений (А.С. СССР №193441).
Недостаток указанного известного фильтра заключается в том, что он не обеспечивает высокого качества очистки воды из-за ограниченного диапазона крупностей зерен фильтрующей загрузки и короткого пути фильтрации.
Препятствием для увеличения диапазона крупностей зерен загрузки служит промывочная система. Она не может обеспечить промывку фильтрующей загрузки с широким диапазоном крупностей зерен, поскольку загрязненная вода прогоняется через все последующие слои, поэтому малая интенсивность промывки в нижней ступени исключает возможность промывки крупной загрузки в верхней ступени.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому фильтру является фильтр для очистки нефтесодержащих вод, содержащий корпус с патрубком в верхней части для подачи нефтесодержащих вод, патрубка в нижней части для отвода фильтрата, симметричного патрубка в нижней части для подачи промывочной воды, патрубка в верхней части для отвода промывочной воды, патрубка в днище для подачи воздуха. В нижней части корпуса расположено ложное днище, на котором расположен слой из гранулированного фильтрующего материала, например из кварцевого песка с гранулами размером 0,07-0,2 мм, поверх которого уложен слой из гидрофильных гранул, например слой просеянного сульфоугля (А.С. СССР №1551394).
На основании проведенных экспериментов построены графики, анализ которых показывает, что при увеличении толщины слоя гранулированного фильтрующего материала, наблюдается интенсивное снижение нефтесодержания в фильтрате. При этом установлено, что с увеличением толщины слоя гранулированной загрузки наблюдается интенсивный рост сопротивления, которое приводит к повышению давления на входе в фильтр и снижению его пропускной способности, что является его недостатком.
Известный фильтр работает следующим образом, обуславливающим его недостатки
Нефтесодержащая вода поступает через патрубок в фильтр и проходит через слой фильтрующего материала с расчетной скоростью, не превышающей 1,5-3,0 мм/сек. Очищенная вода отводится по отводящему патрубку наружу фильтра.
Мелкие частицы нефтепродуктов деформируются в слое гидрофильных гранул, укрупняются и в виде капли выталкиваются водой в слой гранулированного материала.
Более крупные частицы нефтепродуктов не могут проникнуть в пространство слоя гидрофильных гранул и задерживаются на поверхности виде пленки. Образующаяся пленка способствует укрупнению мелких капель нефтепродуктов, которые, достигнув определенных размеров, отрываются от этой пленки и всплывают в верхнюю часть фильтра.
При достижении предельного насыщения проводится промывка фильтра обратным током подаваемой промывочной воды.
Периодически, через 20-30 ч. подают воздух в течение 1-2 мин, который вытесняет нефтепродукты из слоя гранулированного фильтрующего материала.
Однако, очистная способность известного фильтра с уложенными фильтрующими слоями с принятым размером гранул 0,07-0,2 мм, недостаточна.
Общеизвестно, что гидродинамический режим внутри гранулированной, сыпучей и волокнистой фильтрующей загрузки складывается из потоков поршневого, смешанного, мертвого, обратного и таких, как сегрегация общего потока на два и более элементарных потоков (струй), имеющих различные скорости.
Это означает, что в разных участках гранулированной загрузки известного фильтра имеются различные значения скоростей, как по величине, так и по направлению. В связи с этим равномерный режим течения жидкости между гранулами в известном техническом решении не создается, а значит, снижается эффективность работы фильтрующей загрузки, что является его основным недостатком. Кроме того, не предусмотрен отвод отделившегося нефтепродукта, применение самовосстанавливающейся фильтрующей загрузки и имеется достаточно высокая стоимость его изготовления и эксплуатации, что является его другим недостатком. Последнее является достаточно существенным в условиях его эксплуатации на многочисленном маломерном флоте.
Задача, решаемая полезной моделью, заключается в устранении указанных недостатков, а именно: в разработке технологичного фильтра, пригодного для судов морского и речного флота, и предназначенного для улучшения качества очистки нефтесодержащих вод, отвода отделившегося нефтепродукта, Готового для дальнейшего полезного использования, применения самовосстанавливающейся очистной загрузки, снижения стоимости изготовления и эксплуатационных расходов.
Поставленная задача достигается тем, что в известном фильтре для очистки НСВ, содержащем корпус с патрубком в его верхней части для подвода к нему нефтесодержащей воды и патрубком в его нижней части для отвода фильтрата, а также содержащем патрубок подвода промывочной воды фильтра и очистную загрузку фильтра, в заявляемом фильтре загрузка применена в виде жидкой плавающей фазы нефтепродукта с объемом в 10-20% от вместимости корпуса. Очистная загрузка помещена совместно в верхнюю часть внутренней полости корпуса и внутри патрубка подвода к корпусу нефтесодержащей воды, имеющего вертикальную ориентацию и скрепленного своей верхней оконечностью с трехходовым краном, к одному входу которого подсоединен другой патрубок, подающий нефтесодержащую воду для ее очистки, с установленной на его верхней оконечности воронкой, а к другому его входу подсоединен сливной патрубок очищенного нефтепродукта. К нижней части корпуса прикреплен другой вертикальный патрубок отвода полученного фильтрата, скрепленный своей верхней оконечностью с другим трехходовым краном, к одному входу которого подсоединен патрубок подвода промывочной воды фильтра с установленной на его верхней оконечности воронкой, а к другому входу подсоединен сливной патрубок данного фильтрата.
В известных фильтрах с фильтрующей гранулированной, сыпучей и волокнистой загрузкой не эффективно существенное увеличение высоты загрузки фильтрующего материала, предназначенного для увеличения пути фильтрации, так как это приводит к увеличению вторичного передиспергирования капель нефтепродуктов, росту сопротивления потоку, увеличению затрат на изготовление и эксплуатацию, а значит к снижению эффективности работы установки. Другим технологичным их недостатком является наличие этапа обязательного отрыва с поверхности загрузки, находящейся в нижней части корпуса фильтра, и всплытия внутри жидкости скоалесцированных (укрупненных) капель нефтепродуктов для контактирования с выделившимся при работе пленочным нефтепродуктом, накапливаемым в верхней части корпуса. Эта технология требует значительной затраты времени и использования существенной части внутреннего объема корпуса.
Для устранения этого недостатка в качестве очистной загрузки используется сам нефтепродукт нефтесодержащей воды в состоянии жидкой фазы, параметры которого по плотности и вязкости соответствуют параметрам заявляемой загрузки, который, из-за образования высокого пути очистки и предотвращения создания условий для возникновения вторичного передиспергирования капель нефтепродуктов, позволяет получать высокую степень очистки воды и обезвоженный нефтепродукт при низком гидравлическом сопротивлении. Более того, полное отсутствие скоалесцированных капель нефти ниже плавающей очистной загрузки исключает их (капель) всплытие, а значит использование для этой значительной части объема корпуса в качестве отстойника. Это позволяет изготавливать для маломерного флота портативные фильтры с высокой производительностью и качеством очистки.
При этом, сама очистная загрузка применена в виде жидкой плавающей фазы нефтепродукта с объемов 10-20% от вместимости корпуса. При работе на морских судах в штормовых условиях при размещении загрузки совместно в вертикально ориентированном патрубке и верхней части внутренней полости корпуса в объеме менее 10% его вместимости, т.е. когда в последней объем загрузки слишком мал, из-за качки судна и корпуса фильтра высока вероятность обводнения собранного нефтепродукта, ухудшения технического результата по очистке.
При работе в этих же условиях штормовой погоды, когда при размещении загрузки совместно в вертикально ориентированном патрубке и верхней части внутренней полости корпуса в объеме более 20% его вместимости, т.е. когда в последней; объем загрузки слишком велик, обеспечивается достаточно высокая вероятность достижения границей раздела «вода-нефть» в корпусе, из-за перемешивания слоев очищенной воды и нефтепродукта, области очищенной воды с соответствующим увеличением ее нефтесодержания, по причине попадания в данную очищенную воду нефтепродукта из объема очистной загрузки.
Причем, при использовании количественных значений плавающей фазы нефтепродукта с объемом, близким к ее меньшему значению интервала, обеспечивается увеличенный межрегенерационный период при очистке нефтесодержащей воды с крупнодисперсным нефтепродуктом. А верхнее значение интервала используется при очистке нефтесодержащей воды, содержащей мелкодисперсную фазу нефтепродукта для достижения максимального качества очистки. Здесь увеличивается путь и время контактирования между каплей и загрузкой, что является определяющим для коалесценции, а следовательно для получения технического результата.
На чертеже представлена схема заявляемого фильтра для очистки нефтесодержащих вод.
Заявляемый фильтр содержит корпус 1, вертикальный патрубок подвода нефтесодержащих вод 2, высотой, например, около 1 метра, прикрепленный нижней оконечностью к верхней части корпуса, а верхней оконечностью к 3-х ходовому крану 3 с L-пробкой, а к оставшемуся свободному входу крана присоединена воронка 4 через другой патрубок 5, подающий НСВ к фильтру, к другому оставшемуся свободному входу крана прикреплен сливной патрубок очищенного нефтепродукта 6. Имеется вертикальный патрубок отвода фильтрата 7, который прикреплен нижней оконечностью к нижней части корпуса 1, а верхней - к 3-х ходовому крану 8, к одному свободному входу которого присоединена воронка 9 через патрубок подвода промывочной воды 10, а к другому свободному входу крана прикреплен патрубок 11, предназначенный для слива полученного фильтрата, очищенного в фильтре.
Заявляемый фильтр используют следующим образом.
Для первоначального включения фильтра в работу пробку 3-х ходового крана 3 поворачивают в положение, соединяющее внутренние полости патрубка 2 и патрубка 5, а пробку крана 8 поворачивают в положение, соединяющее внутренние полости патрубка отвода фильтрата 7 и патрубка слива полученного фильтрата 11.
Далее в воронку 4 заливают чистую воду до полного заполнения корпуса фильтра 1 (клапан вентиляции не показан), патрубка для подвода нефтесодержащих вод 2 и патрубка отвода фильтрата 7, и до начала перелива ее через сливной патрубок 11.
Для приведения фильтра в рабочую готовность в воронку 4 заливают обезвоженный нефтепродукт в количестве 10-25% относительно внутреннего объема корпуса 1, создающий напор, обеспечивающий перелив залитой воды через патрубок 11. При этом скорость поступления заливаемого нефтепродукта не должна превышать паспортную производительность данного фильтра очистной установки,
Скопившийся в верхней части внутренней полости корпуса 1 и в вертикальном патрубке подвода нефтесодержащих вод 2, общей высотой, в частности, около 1 метра, нефтепродукт начинает выполнять при работе фильтра функции его очистной загрузки 12. Полученный фильтрат с такой же скоростью сливают по патрубку 11.
Определением работоспособности и, готовности к массовой эксплуатации установки являются положительные результаты анализа проб сливаемого фильтрата по патрубку 11.
При очистке нефтесодержащей воды за счет выделившегося из нее нефтепродукта увеличивается объем очисткой загрузки, который не должен достигать величины более 20% объема корпуса.
Для приведения очистной загрузки в исходное состояние, то есть возможности занимать объем не менее 10% от внутреннего объема корпуса 1, производится сброс выделившегося (излишнего) нефтепродукта в сборную цистерну.
При этом пробку у 3-х ходового крана 3 поворачивают в положение, соединяющее внутренние полости патрубков 2 и б, а пробку у 3-х ходового крана 8 поворачивают в положение/соединяющее внутренние полости патрубков 7 и 10. При заполнении промывочной водой воронки 9 создается напор воды, вытесняющий нефтепродукт из корпуса 1 через вертикальный патрубок 2, 3-х ходовой кран 3 и сливной патрубок 6 наружу.
3
Заявляемая установка, предназначенная для очистки нефтесодержащих вод, оснащена очистной загрузкой, состоящей из нефтепродукта, применяемого на флоте плотностью до 0,96 г/см и вязкостью не более 12°ВУ. Загрузка расположена совместно внутри верхней части корпуса 1 и внутри вертикального патрубка подвода нефтесодержащих вод 2, увеличивая этим общую высоту слоя загрузки, имея высоту патрубка 2, в частности, около одного метра, с целью увеличения пути очистки без существенного увеличения гидравлического сопротивления потоку.
В известных фильтрах с фильтрующей гранулированной, сыпучей и волокнистой загрузкой, как изложено, не эффективно существенное увеличение высоты загрузки фильтрующего материала, предназначенного для увеличения пути фильтрации, так как это приводит к увеличению вторичного передиспергирования капель нефтепродуктов, росту сопротивления потоку, увеличению затрат на изготовление и эксплуатацию, а значит к снижению эффективности работы установки. Другим технологичным их недостатком, как изложено, является наличие этапа обязательного отрыва с поверхности загрузки, находящейся в нижней части корпуса фильтра, и всплытия внутри жидкости скоалесцированных (укрупненных) капель нефтепродуктов для контактирования с выделившимся при работе пленочным нефтепродуктом, накапливаемым в верхней части корпуса. Эта технология требует значительной затраты! времени и использования существенной части внутреннего объема корпуса.
3
Для устранения этого недостатка в качестве очистной загрузки используется сам применяемый на флоте нефтепродукт нефтесодержащей воды в состоянии жидкой фазы, параметры которого соответствуют параметрам заявляемой загрузки: плотностью до 0,96 г/см и вязкостью не более 12°ВУ, который, из-за образования высокого пути фильтрации и предотвращения создания условий для возникновения вторичного передиспергирования капель нефтепродуктов, позволяет получать высокую степень очистки воды и обезвоженный нефтепродукт при низком гидравлическом сопротивлении. Более того, полное отсутствие скоалесцированных капель нефти ниже плавающей фильтрующей загрузки исключает их (капель) всплытие, а значит использование" для этого значительной части объема корпуса в качестве отстойника. Это позволяет изготавливать для маломерного флота портативные, недорогие фильтры с высокой производительностью и качеством очистки.