Установка для очистки нефтесодержащих вод

Область техники
Полезная модель относится к классу машин по очистке нефтесодержащих вод и может быть использована в промышленности, на транспорте, предприятиях нефтегазовой промышленности, то есть везде, где возможно попадание нефти в воду и требуется последующая очистка воды от нефти.
Уровень техники
Существуют устройства очистки в виде отстойников, с применением специальных фильтрующих элементов, а также применением аппаратов центробежного разделения нефтесодержащих вод на, условно, «легкую нефть» и «тяжелую воду» в поле центробежных сил таких аппаратов, как гидроциклоны, центрифуги и центробежные жидкостные сепараторы. Конструктивные особенности сепараторов позволяют сравнительно легко регулировать качество очистки. Однако стоит учитывать, что удельный расход мощности сепараторов на 1 м обрабатываемой смеси очень высок. У гидроциклонов расход мощности существенно ниже.
Известен аналог - изобретение по российскому патенту RU 2206513 (МПК C02F 1/40, C02F 101/32, опубл. 19.04.2002) СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ЖИДКИХ НЕФТЕПРОДУКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, в котором воду обрабатывают в двух ступенях центробежной очистки - горизонтальном и вертикальном гидроциклонах, отстаивают и фильтруют в кассете с гранулированным наполнителем в электрическом поле. Вертикальный гидроциклон снабжен колесом со спиральными направляющими для стабилизации потока. Можно использовать несколько вертикальных гидроциклонов, закрепленных в разделительном диске. Нефтеводяной центробежно-фильтрующий сепаратор содержит узел центробежной обработки, верхний гравитационный отстойник-нефтесборник, нижний гравитационный отстойник, гранулированный наполнитель мелкой фракции с олеофильными свойствами. При этом узел центробежной обработки выполнен из двух ступеней, первая из которых выполнена в виде горизонтально расположенного гидроциклона, а вторая - в виде вертикально расположенного по оси корпуса гидроциклона. Сепаратор снабжен фильтрующими элементами.
Недостатком данного устройства можно считать повышенную потребляемую мощность, наличие расходных материалов - гранулированного наполнителя.
Раскрытие полезной модели
Технический результат - эффективная очистка нефтесодержащих вод при ограниченном энергопотреблении (с удовлетворением жестких судовых (корабельных) ограничений по потребляемой мощности (не более 0,85 кВт) в совокупности с требованием качественной очистки воды до 1% содержания нефти в ней.
Для этого оказалось целесообразным и единственно возможным применить гидроциклоны как основной элемент очистки. В связи с этим возникла необходимость разработать систему, состоящую из блока одного, двух и более гидроциклонов, расположенных последовательно, которая позволяет осуществлять регулирование качества осветления нефтесодержащих вод от нефти. Система включает в себя один и более последовательно соединенных гидроциклонов, в которой выход очищенной воды из первого гидроциклона соединен с входом во второй гидроциклон и так далее. Выход легкой фазы нефти из всех циклонов объединен.
В целом, разработана конструкторско-технологическая схема установки для очистки нефтесодержащих вод, характеризующаяся последовательностью трех частей узлов и элементов по очистке воды от нефти от входа до выхода:
- вначале часть грубой очистки воды, включающая клапан трехходовой с первым датчиком концентрации нефти в воде на входе клапана и установки в целом, первую секцию двухсекционной сборной приемной емкости-отстойника для первичного выделения нефти;
- далее часть основной очистки воды, включающая насос высокого давления, блок гидроциклонов со вторым датчиком концентрации нефти в воде на входе блока, вторую секцию двухсекционной сборной приемной емкости-отстойника на выходе блока гидроциклонов;
- в конце часть тонкой очистки воды, включающая встроенный фильтр с насосом, узел обеззараживания очищенной воды.
В блоке гидроциклонов все гидроциклоны расположены вертикально и последовательно, где выход очищенной воды из предшествующего гидроциклона соединен с входом в последующий гидроциклон, а верхний выход легкой нефти из всех гидроциклонов является объединенным. Блок гидроциклонов, предназначенный для гидродинамического выделения легкой нефти из воды, отличается от известных установок тем, что на входе в первый гидроциклон блока установлен датчик (второй в схеме установки) концентрации нефти, который отслеживает концентрацию нефти в потоке входной воднонефтяной смеси.
При этом после второго датчика концентрации нефти в воде на входе в первый гидроциклон установлена первая гравитационная шайба, для управления процессом разделения легкой нефти и воды в гидроциклонах ограничивающая и стабилизирующая расход жидкости на входе в гидроциклон независимо от колебаний давления жидкости на выходе насоса высокого давления, подающего ее в блок гидроциклонов, так как при колебаниях давления меняется расход, что практически исключает возможность регулирования процесса разделения, если учитывать постоянное изменение содержания нефти в воде. Перепады давления могут образовываться вследствие резкого изменения концентрации нефти в воде. Управлять процессом разделения можно только при постоянном расходе нефтеводяной смеси, если при этом содержание нефти по объему колеблется.
В нижний сток первого гидроциклона блока установлена регулирующая расход воды через себя пропорционально показаниям второго датчика концентрации нефти вторая гравитационная шайба с вентилем, перекрывающим проходное сечение шайбы до полного закрытия в случае 100%-ной концентрации нефти. Вентиль второй (нижней) гравитационной шайбы первого гидроциклона является игольчатым и соединен с шаговым электродвигателем для регулирования проходного сечения вентиля.
Установка также дополнительно содержит общий щит управления, трубопроводы, арматуру и общий сборник для нефти, шлама и грязи из трехходового клапана, сборной приемной емкости-отстойника и блока гидроциклонов, с возможностью сброса нефтесодержащей жидкости со входа трехходового клапана в общий сборник в случае определения первым датчиком концентрации нефти в воде концентрации нефтепродуктов 95% и выше. При этом установка преимущественно смонтирована компактно на общей раме, в том числе в едином контейнере.
Перечень фигур
Фиг. 1 - блок-схема связей основных конструктивных элементов установки в техпроцессе; фиг. 2 - конструкторский чертеж общего вида (в ракурсе) установки на общей раме; фиг. 3 - блок-схема первого гидроциклона из блока гидроциклонов.
Осуществление полезной модели
На фигурах в сквозной нумерации обозначены позиции: 1 - 1-й датчик концентрации нефти; 2 - клапан трехходовой; 3 - 1-я секция сборной емкости - двухсекционного отстойника нефтешлама и грязи; 4 - насос высокого давления; 5 - блок гидроциклонов; 6 - 2-я секция сборной емкости - двухсекционного отстойника; 7 - встроенный фильтр доочистки с дополнительным насосом; 8 - узел бактериального обеззараживания очищенной воды; 9-1-й гидроциклон блока 5 гидроциклонов; 10 - 2-й датчик концентрации нефти; 11 - 1-я гравитационная шайба в трубе между датчиком 10 и гидроциклоном 9; 12 - 2-я (нижняя) гравитационная шайба с регулируемым проходным сечением на выходе гидроциклона 9.
Помимо этих элементов установки, отмеченных позициями, также в единой конструкции установки есть общая фундаментная рама (платформа) установки, сборная емкость для нефти, нефтешлама и грязи, сборная емкость для очищенной воды после блока гидроциклонов; шаговый электродвигатель вентиля шайбы 12; общий пульт управления работой установки; трубопроводы, вентили и арматура. Может быть обеспечено изготовление установки в едином контейнерном варианте. Высота установки не более 1700 мм. Основные узлы, контактирующие с продуктом, изготовлены из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т.
Описание процесса работы установки по схеме фиг. 1
Установка предназначена для очистки воды от нефти в автоматическом режиме. Нефтесодержащая жидкость, при температуре не ниже плюс 15°C (согласно требования), для очистки поступает в трубопровод с установленным 1-м датчиком 1 концентрации нефтепродуктов. В случае если концентрация нефтепродуктов достигает 95%, установленный после датчика трехходовой клапан 2 сбрасывает нефтесодержащую жидкость в сборник для нефти и нефтешлама, в случае если концентрация меньше 95%, трехходовой клапан 2 направляет нефтесодержащую жидкость в 1-ую секцию 3 сборной емкости-отстойника и далее в насос 4 высокого давления. Сборная емкость-отстойник двухсекционная: 1-ая секция 3 предназначена для первичного выделения (отстоя) тяжелой нефти и нефтешлама, попадающих в общий сборник для нефти и нефтешлама. 1-й датчик 1 концентрации нефти, установленный на входе в установку, дает команду при достижении нужной концентрации нефти в жидкости на включение насоса 4 высокого давления, который подает нефтесодержащую жидкость в блок гидроциклонов 5, а именно через 2-й датчик 10 концентрации нефти и 1-ую гравитационную шайбу 11 в 1-й гидроциклон 9 блока вертикально установленных гидроциклонов 5.
3
В каждом двухпродуктовом гидроциклоне из блока 5 загрязненная вода разделяется на два потока: чистая вода и легкая нефть (плотность 850 кг/м и ниже), при этом тяжелой нефти и шлама в гидроциклоне быть не должно (если они все же проскочат, то пойдут вместе с водой вниз). Выход легкой фракции нефти вверх из гидроциклона происходит под действием центробежных сил.
Задача состояла в том, чтобы не допустить попадание нефти в нижний сток гидроциклона для воды (т.к. вода тяжелее легкой нефти). Для решения задачи в нижний сток 1-го гидроциклона 9 устанавливается 2-я гравитационная шайба 12, которая обеспечивает заданный расход жидкости. Датчик 10 концентрации нефти на входе в гидроциклон 9 меряет содержание нефти во входной смеси, чем ее больше, тем больше закрывается выходное отверстие шайбы 12 для воды из гидроциклона 9 и увеличивается отбор через верхний канал гидроциклона 9 для легкой нефти.
Нефтеводяная смесь поступает в гидроциклон 9 через проточный датчик 10 концентрации нефти в воде. После датчика 10 концентрации на входе в гидроциклон установлена гравитационная шайба 11, стабилизирующая расход жидкости на входе в гидроциклон 9 независимо от колебаний давления в нефтеводяной смеси, которые могут происходить при работе подающего насоса 4 высокого давления, так как при колебаниях давления меняется расход, что практически исключает возможность регулирования процесса разделения смеси в гидроциклоне, если учитывать постоянное изменение содержания нефти в воде. Управлять процессом разделения можно только при постоянном расходе нефтеводяной смеси, если при этом содержание нефти по объему колеблется.
Система работает по следующей схеме: смесь с переменным содержанием нефти подается в гидроциклон 9, при этом расход ограничен нижней гравитационной шайбой 12. Смесь «с» - 100% состоит из «х»% воды и «y»% нефти. На входе в гидроциклон 9 установлен датчик 10 концентрации нефти, который отслеживает концентрацию нефти в потоке смеси. Зная величину «у»% нефти при постоянной величине «c», легко составить программу вычисления «х» концентрации воды. В нижней части гидроциклона 9 установлена регулируемая гравитационная шайба 12 с игольчатым вентилем (не показан), перекрывающим проходное сечение шайбы до полного закрытия в случае, если «y» концентрация нефти 100% (диапазон колебаний содержания нефти в воде от 0 до практически 100%). Вентиль шайбы 12 соединен с шаговым электродвигателем (не показан), который открывает вентиль настолько, чтобы расход воды соответствовал ее процентному содержанию в исходной смеси. Вращение вентиля определяется в зависимости от данных, передаваемых датчиком 10 концентрации нефти, стоящим на входе в гидроциклон 9.
После блока 5 гидроциклонов для гарантии высокой очищенности воды от нефти производят ее дополнительную тонкую очистку во 2-й секции 6 общего отстойника фильтром 7, встроенным со своим (вторым по счету) насосом во 2-ую секцию 6, а также в узле 8 ультрафиолетового обеззараживания воды от бактерий (узел доочистки), откуда вода отправляется на сброс. В 1-й и 2-й секциях сборной емкости-отстойника установлены сборные воронки, позволяющие осуществлять сбор нефтепродуктов с поверхности и отправлять в сборную емкость для нефти.
В конкретном примере реализации предложенной установки в рамках госконтракта №15411.162017.09.009 по заказу МИНПРОМТОРГ РФ жидкость подвергается очистке до 30% в 1-й секции 3 отстойника (в части грубой очистки воды) и основной трехступенчатой очистке (60%, 7%, 1%) в трех гидроциклонах единого блока 5 гидроциклонов. Такая схема в первую очередь обусловлена жесткими судовыми (корабельными) ограничениями по потребляемой мощности установки (не более 0,85 кВт) в совокупности с требованием качественной очистки воды до 1% содержания нефти в ней. Высокая степень очистки на 1-ом гидроциклоне 9 достигается автоматическим регулированием расхода воды, что обеспечивает максимальный отбор нефти. Все гидроциклоны расположены вертикально. Выход воды первого циклона соединен со входом во второй, выход воды второго соединен со входом третьего, при этом циклоны расположены "ступенькой" для уменьшения потерь давления. Из третьего нижнего циклона вода подается на тонкую очистку и дальше на бактериальное обеззараживание.