УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ЖИДКОСТЕЙ
INSTALLATION FOR PURIFICATION OF OIL-CONTAINING LIQUIDS

Изобретение относится к устройствам очистки нефтесодержащих жидкостей, образующихся при разработке нефтяных скважин, отмывки транспортных средств, предназначенных для перевозки нефтепродуктов, а также различных емкостей для их хранения или переработки.
Оно может быть использовано в судостроении, машиностроительной, пищевой, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности, а также в строительстве, на транспорте, в энергетике и других отраслях промышленности, где происходит образование стоков, содержащих нефтепродукты и органические вещества.
В связи с резким увеличением числа предприятий, занимающихся получением, хранением, оптовой и розничной реализацией нефтепродуктов, отсутствием на большинстве объектов (нефтебазы, автозаправочные станции (АЗС), склады ГСМ, мазутохранилища и т.д.) обустроенных и эффективно работающих систем сбора и очистки ливневых и аварийных стоков идет рост загрязнений нефтепродуктами.
Нефть и нефтепродукты, вступая в непосредственный контакт с водой, загрязняют ее, находясь при этом в различных состояниях, основные из которых следующие: свободная нефть, нестабилизированные дисперсии, стабилизированные дисперсии, молекулярно-растворенная нефть, обволакивающие твердые включения. Состояние нефти в нефтесодержащих водах имеет определяющее значение для выбора способа обработки этих вод с целью их очистки.
Для очистки нефтепродуктов используются силовые очистители различной конструкции, принцип действия которых заключается в отделении частиц загрязнения от нефтепродуктов под действием искусственного силового поля или естественной гравитации.
Это отстойники, центрифуги и центробежные сепараторы различного типа: гравитационные, флотационные, коалесцирующие и центробежные.
Известна сепарационная установка "Пематик" фирмы "Сален и Викандер" (Швеция).
Сепаратор состоит из трех цистерн, смонтированных на одном фундаменте. На этом же фундаменте установлен винтовой насос. Очистка в сепараторе двухступенчатая.
Нефтесодержащие воды сначала подаются в сепаратор гравитационного типа (первая ступень), отделение частиц нефти в котором происходит в основном за счет разности плотности воды и нефтепродукта. Насос устанавливается после сепаратора, т.е. на первой ступени его нет. Таким образом, гравитационный сепаратор работает в вакуумном режиме, что значительно повышает его очистную способность, т.к. диспергирующее воздействие насоса на частицы нефтепродукта исключено.
Отделенная в гравитационном сепараторе нефть собирается в его верхней части и по мере заполнения ее удаляется в сборную цистерну по сигналу датчика уровня раздела сред нефть - вода. Затем частично очищенная вода подается в фильтр (вторая ступень).
В объем фильтрующей цистерны засыпан гранулированный кристаллический материал, обработанный химическим составом, или другой материал. В фильтрах фирмы использовался полимерный материал, выполненный в виде небольших "беличьих" колес. Частички нефтепродукта, не отделившиеся в гравитационном сепараторе, задерживаются на поверхности фильтрующего материала, а очищенная вода через цистерны промывочной воды выбрасывается за борт. Регенерация фильтра проводится путем обратной промывки очищенной трюмной водой, заключенной в промывочной цистерне. Давлением сжатого воздуха вода из промывочной цистерны выдавливается в фильтр, где с более высокой скоростью, чем при очистке нефтесодержащих вод, проходит через фильтрующий материал. При этом происходит смывание нефти с поверхности фильтра и его регенерация. После каждой промывки определенное количество воды с нефтепродуктами возвращается снова в трюмный колодец или цистерну сбора трюмных вод. Однако благодаря коалесценции частиц нефтепродукта на поверхности фильтра последующее их отделение в гравитационном сепараторе будет более эффективным. Процесс регенерации осуществляется периодически. Управление пневматическими и электронными клапанами, осуществляющими переключение работы установки с режима очистки на регенерацию и наоборот, осуществляется через щит управления, поставляемый совместно с установкой («Средства очистки жидкостей на судах», Справочник под редакцией И.А. Иванова, Л. "Судостроение", 1984 г.).
Наличие трех емкостей увеличивает размеры установки и требует дополнительной обвязки трубопроводной арматурой.
Общим недостатком установок, содержащих гравитационные отстойники, коалесцирующие сепараторы и фильтры, являются: скопление нефтепродуктов в зернах фильтра, отсутствие отделения твердых частиц из сточной воды вне коалесцирующей камеры и, соответственно, засорение коалесцирующего материала, длительность регенерации, невозможность удаления укрупненных капель нефтепродукта из установок и т.д.
Известна установка для очистки сточных вод от нефтепродуктов, включающая корпус с размещенными в нем предварительным отстойником, тонкослойным модулем из наклонных гофрированных полок, фильтровальной камерой с коалесцирующей загрузкой, трубопроводы подачи сточной воды, отвода нефтепродуктов, осадка и очищенной воды, фильтровальной камерой с адсорбирующей загрузкой и перфорированным коллектором, соединяющим обе фильтровальные камеры и размещенным в их верхних частях, трубопроводы отвода нефтепродуктов, снабженные регулирующими уровень слива навинчивающимися стаканами, при этом фильтровальные камеры установлены по ходу движения жидкости за тонкослойным модулем, коалесцирующая загрузка выполнена из гранулированного гидрофобного материала, например полиамида или полиэтилена, а адсорбирующая загрузка - из термостойкого кварцевого волокна с большой пористостью, причем предварительный отстойник снабжен коллектором отопления (Патент РФ №2013375, БИ №10, 1994 г.).
Практически эта конструкция близка к известной установке фирмы «General Electric», но в нее добавлена фильтровальная камера с адсорбирующей загрузкой и коллектор отопления, установленный в предварительном отстойнике. Эта установка не предназначена для разделения сточных вод, содержащих высоковязкие нефтепродукты, которые резко сократят срок службы коалесцирующей и адсорбирующей загрузки. Размещение отопителя в предварительном отстойнике не может существенно повлиять на вязкость нефтепродуктов.
Известно устройство для очистки нефтесодержащих вод, содержащее корпус с дном, распределитель потока, полости загрязненной и очищенной воды, нефтесборник, устройство отсоса, соединенное с нефтесборником и полостью загрязненной воды, очистной блок выполнен в виде каркаса с фильтрующе-коалесцирующим материалом, расположенных по спирали вокруг центральной перфорированной трубы. Спираль очистного блока выполнена многозаходной, при этом входные (начальные) участки многозаходной спирали равномерно разнесены по диаметру очистного блока, а длина седиментационного канала L равна 700 мм при диаметре очистного блока 250 мм. (Патент РФ №2082676, БИ 18 - 1997 г.)
Устройство работает следующим образом. Загрязненная вода через патрубок 2 поступает в верхнюю часть корпуса 1, равномерно распределяется по каналам распределителя потока 5 и с небольшой скоростью проходит по ним вниз по направлению к очистному блоку. В верхней части корпуса 1 начинается отделение нефтепродуктов. Отделенный нефтепродукт всплывает и собирается в нефтесборнике 4. Далее загрязненная вода поступает в очистной блок, где неотделившиеся в верхней части устройства мельчайшие капли нефти участвуют в процессе коалесценции, как за счет поверхностной, так и внутрипоровой коалесценции. Очищенная вода через центральную трубу 10 и полость 21 очищенной воды насосом 23 отводится за пределы устройства. Движение жидкости в очистном блоке осуществляется следующим образом. При поступлении загрязненной воды через наружный слой каркаса 6 на начальные участки фильтрующе-коалесцирующего материала 9 происходит ее очистка за счет коалесценции нефтепродукта внутри материала. Укрупненный нефтепродукт в результате разности давления, создаваемой насосом в центральной трубе 10 и полости 20 загрязненной воды, проходит через поры материала в продольные каналы, образованные следующими слоями каркаса, а оставшиеся частицы нефтепродукта коагулируют на поверхности фильтрующе-коалесцирующего материала 9, укрупняются и также увлекаются потоком воды вверх, а остальные движутся в двух направлениях, внутрь фильтрующе-коалесцирующего материала по порам и по спиральным каналам вокруг него. Процесс разделения на последующих слоях происходит аналогично.
Этому устройству присущи те же недостатки, что и предыдущему аналогу, в отношении загрязнения фильтрующе-коалесцирующего материала.
Кроме того, в нем происходит разделение двухфазной системы - легкие нефтепродукты и технологическая вода, причем не исключается контакта загрязненной и очищенной воды.
Известно устройство для очистки сточных вод, защищенное патентом РФ №2163828, опубликованное в БИ №7, 2001 г. Оно содержит корпус, тонкослойные элементы, патрубки для вывода сгущенного продукта и осветленной воды, коллектор для сбора осветленной воды, причем корпус выполнен в виде двух цилиндрических отстойников, сопряженных между собой под углом 60 градусов к горизонту, образующих как бы двухсекционный отстойник, а в каждой секции камеры сгущения, над которыми размещены тонкослойные элементы, причем каждая камера сгущения сопряжена с полостью загрузочно-разгрузочной трубы, разгрузочный конец которой соединен с патрубком для вывода сгущенного продукта, а коллектор для сбора осветленной воды соединен с расположенной над тонкослойными элементами камерой сбора осветленной воды и патрубком для вывода осветленной воды, при этом соотношение диаметров загрузочно-разгрузочной трубы и цилиндрического отстойника составляет 1:2-1:3.
Основным недостатком прототипа является то, что при такой конструкции тонкослойные элементы наклонены под углом 60 градусов, что снижает эффективность их работы, т.к. поток сточных вод движется навстречу поднимающейся по стенке каждого элемента нефтяной пленки, препятствуя ее всплытию.
Кроме того, с помощью этого устройства невозможно удалить высоковязкие нефтепродукты, т.к. в нем не предусмотрен подогрев нефтепродукта для снижения их вязкости.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является установка для очистки нефтесодержащих сточных вод патент РФ №2205797, опублик. в БИ №16 - 2003 г.
Установка содержит корпус, входной патрубок, перегородку, образующую совместно с внешней стенкой корпуса камеру гашения энергии потока, двухсекционный тонкослойный отстойник с установленными в него вертикальными коалесцирующими пластинами, образующими гребенку, жироловитель, установленный в первой секции отстойника и содержащий подвижные диски, закрепленные на барабане, снабженные скребками, между секциями тонкослойного отстойника размещен сборник отделенных нефтепродуктов, снабженный нагревателем и первым разгрузочным порогом, камеру осветленной воды со вторым разгрузочным порогом, установленным с возможностью изменения его высоты, патрубок для вывода воды со вторым разгрузочным порогом, установленным с возможностью изменения его высоты. Каждая камера устройства снабжена соответствующими патрубками для вывода шлама, нефтепродуктов и осветленной воды.
Установка работает следующим образом. Нефтесодержащие сточные воды поступают в корпус со скоростью 1-2 м/с через патрубок ввода в камеру гашения энергии потока, где поток расширяется и снижает скорость. За счет этого в нижней части камеры гашения энергии потока оседают наиболее крупные механические примеси, а основной поток сточной воды, содержащий нефтепродукты, находящиеся в виде крупных капель нефти или тонкодиспергированной эмульсии, поступает в первую секцию отстойника, в которой находится тонкослойный модуль. Тонкослойный модуль выполнен из отдельных вертикальных параллельно расположенных коалесцирующих пластин, которые образуют между собой щелевые каналы. Верхние кромки пластин, выступающие над перегородкой, образуют гребенку, играющую роль равномерного распределителя потока по отдельным щелевым каналам. В результате того, что поток входит в верхнюю часть первой секции отстойника, а выходит в противоположном нижнем по диагонали углу, в отстойнике образуется зона сгущения, в которой происходит накопление шлама. При прохождении нефтесодержащего потока по щелевым каналам происходит естественный процесс коалесценции, т.е. укрупнение капель нефтепродуктов и за счет разности плотности воды и нефти они всплывают на поверхность в верхней отстойной зоне первой секции отстойника, играющую роль накопителя слоя нефтепродуктов.
Кроме того, коалесцирующие пластины захватывают мелкие капли нефтепродуктов, при этом прилипшие к поверхности пластин капли сливаются и укрупняются, образуя сплошную пленку, которая под действием эффекта Пуазейля поднимается вверх в эту же зону. Так как внешняя стенка первой секции отстойника выполнена несколько ниже стенок корпуса, то в результате образуется первый разгрузочный порог, через который маловязкие нефтепродукты перетекают в камеру сбора и накопления нефтепродуктов. Однако высоковязкие нефтепродукты не могут перетекать в эту камеру, поэтому для их удаления используют нефтежироловитель, прикрепленный к крышке корпуса установки таким образом, чтобы подвижные диски, насаженные на барабан, были погружены в зону накопления нефтепродукта. Вращение барабана осуществляется от двигателя за счет соединения его вала с валом нефтежироловителя специальной передачей. В этих условиях основная масса нефтепродукта прижимается к подвижным дискам, смачивая их поверхность, и образует на ней хорошо удерживаемую пленку. Эта пленка снимается с их поверхности скребками и самотеком стекает в камеру накопления нефтепродуктов.
Освобожденная от нефтепродуктов сточная вода с выхода первого отстойника поступает снизу на вход второй секции отстойника, которая имеет аналогичную конструкцию.
В щелевых каналах происходит отделение от воды более плотных твердых частиц. Оттесняя твердые частицы к поверхностям коалесцирующих пластин, поток выносит их благодаря диагональному направлению движения в застойную зону, где эти частицы медленно оседают и, по мере накопления, удаляются через патрубок. Осветленная вода через второй разгрузочный порог поступает в камеру осветленной воды, из которой удаляется посредством соответствующего патрубка. Сгущенный продукт удаляется из зон сгущения и камеры гашения энергии потока через соответствующие патрубки. Удаление нефтепродуктов из камеры их накопления осуществляется через патрубок удаления нефтепродуктов, причем для того чтобы снизить вязкость высоковязких нефтепродуктов, в нижней зоне этой камеры накопления установлен нагреватель.
В процессе эксплуатации известного устройства выявились следующие недостатки, а именно:
- тонкослойный модуль с коалесцирующими вертикально-параллельными пластинами не мог эффективно разделять жидкости, содержащие вязкие нефтепродукты, из-за быстрого засорения щелей тонкослойного модуля;
- наличие нефтежироловителя усложняло конструкцию устройства и требовало дополнительных эксплуатационных расходов, связанных с чисткой дисков, замены скребков и т.п.;
- наличие электрического нагревателя внутри нефтесборника не обеспечивало равномерность вязкости нефтепродуктов из-за местного перегрева, что затрудняло их перекачку;
- наличие вязкого шлама затрудняло его удаление из установки.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание устройства, способного очищать жидкости, содержащие как мало-, так и высоковязкие нефтепродукты или другие углеводороды, а также обеспечение надежной работы оборудования без снижения производительности установки.
Технический результат достигается за счет того, что в известную установку, содержащую корпус, снабженный патрубками для ввода нефтесодержащих вод и вывода осветленной воды, а также патрубками для удаления нефтепродуктов и сгущенного продукта, причем в корпусе образованы камеры: гашения энергии потока, очистная, выполненная в виде двух отстойников, с размещенным в них тонкослойным модулем, состоящим из параллельных коалесцирующих пластин, под которыми образуются зоны сгущения, а также камеру сбора и накопления отделенных нефтепродуктов, снабженную устройством нагрева, и камеру осветленной воды, снабженную разгрузочным порогом, установленным с возможностью регулирования его по высоте, внесены изменения, а именно:
- отстойники расположены горизонтально параллельно друг другу симметрично относительно горизонтальной оси корпуса;
- в каждом из них последовательно размещено по нескольку тонкослойных модулей, в которых коалесцирующие пластины расположены под углом 45 градусов друг к другу;
- корпус снабжен дополнительными патрубками ввода и вывода пара для обогрева отделенных нефтепродуктов, патрубками для разбавления шлама и передавливания собранных нефтепродуктов.
Кроме того, в зоне (камере) сбора отделенных нефтепродуктов образован карман посредством размещения двух пластин под углом друг к другу, который соединен с патрубками ввода пара и слива нефтепродуктов, а в зоне гашения скорости входящего потока нефтесодержащей жидкости перед отстойниками установлены распределители потока.
Размещение двух отстойников в корпусе позволяет улучшить очистку и повысить производительность установки. Количество тонкослойных модулей зависит от скорости потока нефтесодержащей жидкости и требуемой степени очистки ее от нефтепродуктов.
На основании практических исследований три тонкослойных модуля обеспечивают требуемые условия качественной очистки нефтесодержащей жидкости.
Расположение коалесцирующих пластин под углом позволяет увеличить время его работы за счет уменьшения забивания щелей, т.к. более тяжелые вещества быстрее оседают в зону сбора шлама.
В результате опытов было установлено, что наиболее оптимальным является угол наклона равный 45 градусов.
Образование наклонного кармана в зоне сбора нефтепродуктов, в который подается пар для снижения вязкости нефтепродуктов, позволяет облегчить слив продукта.
Применение пара для обогрева нефтепродуктов позволяет в этой зоне обеспечить равномерный нагрев нефтепродуктов во всем объеме кармана.
Дополнительный патрубок для разбавления шлама позволяет удалить их при повышенной вязкости (присутствие парафинов, гудронов и т.п.).
Дополнительный патрубок в зоне осветленной воды позволяет облегчить перемещение вязких нефтепродуктов в зону сливного кармана, а также регулировать верхний уровень осветленной воды.
После выхода осветленной жидкости из тонкослойных отстойников установлены пластины для обеспечения направления потока воды вниз и ввода его в зону осветленной воды.
Конструкция установки для очистки нефтесодержащих сточных вод поясняется чертежами.
Фиг.1 - общий вид установки в разрезе по вертикальной плоскости.
Фиг.2 - вид слева после разделителей потока нефтесодержащей жидкости, а также элементы камеры осветления жидкости, которые недостаточно отражены на фиг.1.
На фиг 1 показаны рама 1, на которой монтируется цилиндрический корпус 2, патрубок 3 ввода нефтесодержащей жидкости, патрубок 4 вывода сгущенного продукта (шлама), камера 5 гашения скорости потока, внутри которой размещен распределитель потока 6, патрубок 7 разбавления сгущенного продукта, камера 8 сбора сгущенного продукта, тонкослойный модуль 9, в котором последовательно устанавливаются тонкослойные модули 10 (вторая очистная камера, расположенная параллельно первой по другую сторону оси корпуса, имеет аналогичную конструкцию), камера 11 осветленной жидкости, направляющая перегородка 12, патрубок 13 для слива осветленной жидкости, датчик 14 уровня жидкости в камере осветления, камера (зона) 15 сбора отделенных нефтепродуктов, датчик уровня 16 нефтепродуктов, пластины 17, 19, образующие карман для слива нефтепродуктов, патрубок 18 слива нефтепродуктов, патрубки 20, 21 для ввода и вывода пара соответственно.
На фиг.2 показано расположение тонкослойных отстойников 9 относительно оси корпуса и конструкция коалесцирующих пластин, образующих тонкослойный модуль 10.
На фиг.2 схематично показаны элементы камеры осветленной жидкости, которые не видны на фиг.1. Это пластина 22, которая установлена с возможностью изменения расположения ее по высоте и образующая разгрузочный порог, а также патрубки 23, соединенные с вентилями (не показаны) для изменения уровня жидкости в камере осветления путем изменения давления в ней.
Установка снабжена необходимой сантехнической аппаратурой и датчиками контроля уровня, температуры в различных зонах установки, соединенных с системой контроля работой установки, которые не показаны, т.к. не являются предметом изобретения.
Как правило, установка входит в состав моечных комплексов, предназначенных для мойки железнодорожных цистерн для перевозки нефтепродуктов или пассажирских вагонов и электричек.
Установка работает следующим образом. Нефтесодержащая жидкость, представляющая отработанный моющий раствор с нефтепродуктами, после песколовок или фильтров грубой очистки поступает по двум патрубкам ввода 3 в корпус 2 установки со скоростью 1-2 м/с. При входе в корпус поток расширяется и снижает скорость. За счет этого в нижней части камеры гашения скорости потока 5 оседают наиболее крупные механические примеси, а основной поток жидкости, содержащий нефтепродукты, находящиеся в виде крупных капель нефти или тонкодиспергированной эмульсии, разбивается распределителем потока 6, выполненным в виде зубцов, и поступает в тонкослойные отстойники 9, в которых находятся тонкослойные модули 10. Тонкослойный модуль 10 выполнен из отдельных параллельно расположенных коалесцирующих пластин, которые расположены под углом 45 градусов друг к другу. В СНиП 2.04.02-84 (Пособие по проектированию сооружений для очистки и подготовки воды) рекомендуется угол наклона коалесцирующих элементов горизонтальных отстойников 50-60 градусов, но для нефтесодержащих вод наиболее эффективно работали тонкослойные модули, выполненные из коалесцирующих пластин под углом 45 градусов. При прохождении нефтесодержащего потока по щелевым каналам происходит естественный процесс коалесценции, т.е. укрупнение капель нефтепродуктов и за счет разности плотности воды и нефти они всплывают на поверхность, образуя зону (камеру) 15 накопления отделенных нефтепродуктов.
Кроме того, коалесцирующие пластины захватывают мелкие капли нефтепродуктов, при этом прилипшие к поверхности пластин капли сливаются и укрупняются, образуя сплошную пленку, которая под действием эффекта Пуазейля поднимается вверх в эту же зону. Одновременно более тяжелые вещества (металлические частицы, ил и т.п.) за счет сил гравитации опускаются в камеру сгущенного продукта 8, образованную в нижней части корпуса 2.
В рассматриваемом случае в очистной зоне каждого отстойника установлено по три тонкослойных модуля. В зависимости от конкретных условий (вида нефтепродукта, степени загрязнения и т.п.) количество их может меняться.
Освобожденный от нефтепродуктов и тяжелых загрязнений моющий раствор с выхода последнего тонкослойного модуля 10 поступает снизу в камеру 11 осветленной жидкости. Направление потока обеспечивается за счет перегородки 12. Уровень жидкости в камере 11 первоначально осуществляется путем установки перегрузочного порога (пластины 22), и по мере накопления ее датчик уровня 14 выдает команду на ее слив в специальную емкость через патрубок 13.
Удаление отделенных нефтепродуктов из камеры 15 осуществляется следующим образом. В этой камере посредством размещенных под углом друг к другу пластин 17 и 19 образуется сливной карман, соединенный с патрубком 18 слива их. Для облегчения слива вязкость нефтепродуктов снижают путем обогрева кармана острым паром. Пар вводят через патрубок 20 и выводят через патрубок 21. Слив отделенных нефтепродуктов осуществляется по сигналу датчика уровня 16. При высокой вязкости нефтепродуктов или аварийной ситуации для обеспечения слива применяется метод передавливания, который осуществляется следующим образом. Открывают вентили на патрубках 23 и за счет изменения давления в этой части камеры 11 осветленная жидкость поступает снизу и поднимает уровень нефтепродуктов в зоне 15.
Удаление сгущенного продукта, накапливающегося в зонах 8, осуществляется через патрубок 4. Однако если удаление его затруднено, то через патрубок 7 в эту зону вводят для разбавления воду.
Регенерация тонкослойных элементов осуществляется посредством ввода острого пара в корпус 2, предварительно прекратив процесс очистки моющего раствора. Она производится после определенного количества циклов мойки или по мере снижения качества осветленной жидкости.
Таким образом предлагаемое техническое решение обладает рядом преимуществ по сравнению с техническими решениями, применяемых для этих же целей, а именно:
- конструктивно в нем отсутствуют сепараторы с коалесцирующей загрузкой и с фильтрующей адсорбционной загрузкой, требующие периодической замены их и регенерации;
- позволяет очищать нефтесодержащую жидкость в широком диапазоне - от мало- до высоковязких нефтепродуктов, причем извлечение их составляет не менее 95-98%, т.к. степень очистки воды осуществляется до 3-5 ppm, что по европейским стандартам допускает сброс их в природные водоемы;
- повышается надежность работы установки, т.к. исключается вероятность аварийных ситуаций в процессе работы установки.
В настоящее время изготовлены промышленные образцы установки, которые проходят опытно-промышленные испытания при использовании моечного комплекса для мойки железнодорожных цистерн для перевозки светлых и темных нефтепродуктов.
Внедрение установки намечено в конце текущего года или в первом квартале 2009 г.