УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ И ПЛАВАЮЩЕЙ ЖИДКОЙ СРЕДЫ
INSTALLATION FOR CLEANING TECHNOLOGICAL LIQUID FROM MECHANICAL IMPURITIES AND FLOATING LIQUID MEDIUM

Изобретение относится к области очистки технологических жидкостей, например, воды, загрязненной плавучей жидкой средой, например нефтью и осаждающимися дисперсными механическими примесями, например, твердыми частицами, плотность материала которых выше плотности жидкости и может быть использовано в нефтяной и любой другой отрасли промышленности, где возникает такая необходимость.
Известна установка для обезвоживания нефти (Патент РФ №2077918, кл. 6B01D 17/028, опуб. 27.04. 1997). Установка включает корпус с отсеком для обезвоживания нефти, патрубок, подводящий водонефтяную смесь с одного конца корпуса и патрубки, отводящие газ, воду, нефть, регуляторы уровней нефти и воды, поперечные перегородки в средней части сечения корпуса, образующие ступеньки верхними и нижними краями перегородок.
Недостатком этой установки применительно к очистке сточных вод с малым содержанием нефтепродуктов, является то, что не обеспечивается перелив нефти через верх всех перегородок, пока отстоявшаяся вода не достигнет стационарного уровня границы раздела нефть - вода. Таким образом, в этом случае продолжительное время установка работает в нерасчетном режиме по производительности.
Известна установка для очистки технологической жидкости - воды от механических примесей (Патент РФ №2179055, кл. B01D 21/00, опуб. 10. 02. 2002). Установка включает два ряда проточных отстойников. Вначале очищаемую воду направляют в первый вертикальный отстойник, который состоит из чередующихся поперечных перегородок, из которых одним рядом перекрывают поток осветляемой воды от днища отстойника на высоту более половины глубины отстойника, а другим рядом перегородок, установленными между перегородками первого ряда, перекрывают поток воды от верхнего уровня отстойника на глубину более половины глубины отстойника. Затем поток очищаемой воды направляют во второй горизонтальный отстойник, разделенный продольной перегородкой на два коридора с переливом воды из одного коридора в другой и последующим отводом очищенной воды. Принятая система перегородок служат двум целям: удлинению пути движения, а значит и времени пребывания, очищаемой воды в установке, и организации воздействия на частицы механических примесей центробежной силы при перемещении по криволинейным траекториям в вертикальной плоскости. Последнее обстоятельство представляется недостоверным, поскольку среднее значение центробежной силы в результате полного оборота частиц на направление силы тяжести равно нулю.
Недостатком данного технического решения является отсутствие условий обеспечивающих гравитационный отстой в условиях близких к покоящейся жидкости, что снижает эффективность процесса очистки и невозможности одновременной очистки от загрязняющей плавающей жидкой среды.
Известна установка для очистки загрязненной технологической жидкости - сточных вод от механических примесей и нефтепродуктов (Патент РФ №2118197, кл. B01D 17/028, C02F 1/40, C02F 103:34, опуб. 27.08.98). Установка включает проточный отстойник с внутренними вертикальными перегородками, расположенными на одном уровне сверху и постепенно удлиняющимися по ходу потока, при этом предпоследняя перегородка выполнена глухой снизу и образует отсек для очищенной воды, а отсек для накопления очищенного нефтепродукта образован последней глухой перегородкой снизу, патрубок для подачи сточной воды размещен открытым концом вверх на уровне нижней кромки первой перегородки, патрубок для отвода очищенной воды расположен в нижней части отстойника перед последней перегородкой и соединен с гидрозатвором, патрубка для отвода нефтепродукта, регуляторов уровней нефтепродукта и воды, а в верхней части отстойника размещен распылитель части очищенной воды. Очистка потока загрязненной воды от механических примесей и нефтепродуктов производится путем гравитационного осаждения механических примесей и всплытия нефтепродуктов в потоке движущейся смеси сточной воды и чистой воды, подаваемой путем распылением части чистой воды над поверхностью потока сточной воды.
Основной недостаток данного устройства связан с низкой эффективностью подачи чистой воды с помощью распылителя в зону, где происходит отделение механических примесей и нефтепродуктов. При распылении части чистой воды образуется капли различной степени дисперсности. В тексте патента прямо указывается, что «падающие капли чистой воды с достаточной скоростью проникают в слой жидкости, увлекая с собой мелкие частицы механических примесей», при этом, в равной степени эти капли увлекают с собой вниз и капли нефтепродуктов, ухудшая условие их последующего отделения. Отмеченное воздействие могут оказывать лишь крупнодисперсные капли чистой воды. Использование подачи чистой воды с помощью распылителя способствует осаждению механических примесей и препятствует отделению (всплытию) нефтепродуктов. Поскольку «захват» каплями чистой воды нефтяных капель и механических примесей пропорционален их объемным долям, то на единицу массы отводимого загрязнителя (нефтепродукта и механических примесей) больше будет «захватываться» капель нефтепродукта. Таким образом, по существу, используемое в установке распыление чистой воды над отсеками, где происходит отделение нефтепродуктов и механических примесей, становится наиболее эффективным при малом объемном содержании нефтепродуктов, в пределе нулевом, и большом объемном содержании механических примесей.
Недостатком является также то, что отсеки очищенной воды и легких загрязняющих компонент не изолированы друг от друга, вследствие чего в каждый из них может попасть сторонний продукт.
Наиболее близка к предлагаемому техническому решению установка для очистки технологической жидкости воды от загрязняющих легких (плавающих) и тяжелых (осаждающихся) компонентов (Патент РФ №2176619, кл. C02F 1/40; C02F 103: 34, опуб. 10. 12. 2001). Установка включает корпус с перегородками, образующими отсек для ввода очищаемой воды, многосекционный отсек гравитационного отстоя, отделенный от отсека для ввода очищаемой воды перегородкой, глухой снизу, отсеки для сбора очищенной воды и легких компонентов с соответствующими патрубками подвода очищаемой воды и отвода очищенной воды, легких компонентов загрязнений и донного остатка, а для накопления очищенной воды и отделенных легких компонентов загрязнений установлены отдельные отсеки исключающие контакт между очищенной водой и легкими компонентами загрязнений, а в глухой перегородке, расположенной перед отсеком для сбора очищенной воды, размещен канал для отвода легких компонентов загрязнений в соответствующий отсек, причем перегородка последней секции отстоя, размещенная перед глухой сверху перегородкой, установлена ниже предыдущих с возможностью снижения скорости потока очищенной воды при переливе через эту перегородку. Очистка потока загрязненной воды от механических примесей и нефтепродуктов производится путем гравитационного осаждения механических примесей и гравитационного разделения потока воды и включений нефтепродуктов.
Наиболее существенным недостатком рассматриваемого технического решения является неэффективная организация подачи очищаемой воды в первый (отдельный) отсек гравитационного отстоя через отдельный патрубок, расположенный, как видно по чертежу, примерно посредине первого отсека. При установившемся режиме работы, направленная вертикально вверх струя очищаемой воды, после заполнения первого отсека переливается через верхний край его перегородки, и далее перемещается в сторону расположения отсеков для сбора легких компонентов и очищенной воды. В этом случае на большей части поперечного сечения первого отсека в пространстве между ближайшими стенками корпуса аппарата и местом достижения струей очищаемой воды горизонтальной поверхности первого отсека возникает застойная зона, то есть это пространство не используется как объем, в котором происходит полноценное разделение загрязняющих легких и тяжелых компонентов. Отсутствие регулятора уровня границы раздела воды и легких компонентов загрязнений представляется не рациональным, так как из-за возможных пульсаций состава очищаемой воды, например, наличии линз нефтепродуктов, возможен перелив легких компонентов загрязнений в отсек для чистой воды. Неубедительным является пояснение, что частицы, осаждающие между перегородками «оседают в спокойно стоящей воде», поскольку навстречу потоку осаждающихся частиц перемещается такой же замещаемый ими объем жидкости, в результате чего скорость осаждения тяжелых компонентов снижается в сравнению со скоростью свободного осаждения.
Отметим также, что в известном техническом устройстве, по умолчанию, предполагается, что корпус установки имеет прямоугольную форму.
Задачей настоящего технического предложения является повышение эффективности технологического процесса очистки воды, обеспечивающее снижение эксплуатационных затрат.
Технический результат, который ведет к решению поставленной задачи, это повышение эффективности очистки загрязненной технологической жидкости путем повышения степени ее смешения с частью очищенной технологической жидкости и создания условий для более эффективного гравитационного разделения технологической от механических примесей и плавающей жидкой среды.
Указанный технический эффект достигается тем, что в известной установке для очистки загрязненной технологической жидкости от механических примесей и плавающей жидкой среды, включающей корпус, с поперечным сечением в виде прямоугольника, с плоскими перегородками, размещенными верхними кромками на одном уровне, образующими многосекционный отсек гравитационного отстоя, отсеки для сбора очищенной технологической жидкости и плавающей жидкой среды с соответствующими патрубками подачи очищаемой технологической жидкости и отвода очищенной технологической жидкости, плавающей жидкой среды и донных загрязнений, перед отсеком для сбора очищенной технологической жидкости размещена дополнительная плоская перегородка, глухая сверху, снабженная каналом для отвода плавающей жидкой среды из слоя на поверхности чистой технологической жидкости в отсек для ее сбора, а плоская перегородка последней секции гравитационного отстоя, размещенная перед глухой сверху плоской перегородкой, установлена ниже предыдущих плоских перегородок, при этом, высота перегородок многосекционного отсека гравитационного отстоя последовательно уменьшается по ходу движения потока, патрубок для отвода чистой технологической жидкости соединен с гидрозатвором, патрубок подачи очищаемой технологической жидкости выполнен в виде горизонтального щелевого диффузора с шириной равной внутренней ширине корпуса установки, а перед ним установлен смеситель очищаемой и части чистой технологической жидкости, в смесителе струи очищаемой и части чистой технологической жидкости направлены навстречу друг другу с равным поперечным сечением в месте столкновения струй.
Как варианты исполнения, корпус установки в поперечном сечении может иметь различную форму. Так он может иметь вид трапеции сочлененной с прямоугольником; или корпус установки может иметь вид кругового кольца или его части.
При размещении верхних кромок перегородок многосекционного отсека на одном уровне с последовательным уменьшением их высоты по ходу движения увеличивает площадь поперечного сечения потока между днищем аппарата и нижней кромкой перегородок, что снижает гидравлическое сопротивление придонного канала в продольном направлении. В результате этого, технологическая жидкость, вытесняемая оседающими тяжелыми компонентами загрязнений, имеет возможность перемещаться вдоль днища корпуса по ходу движения потока, уменьшая объем технологической жидкости, перемещающейся вверх в вертикальном направлении, что повышает скорость оседания тяжелых механических примесей в каждом из отсеков гравитационного отстоя, поскольку противоток технологической жидкости внутри каждого из отсеков уменьшится.
Установка гидрозатвора позволяет поддерживать постоянный уровень границы раздела технологическая жидкость - плавающая жидкая среда. Наличие этого устройства стабилизирует работу устройства при колебаниях состава загрязненной технологической жидкости, препятствуя поступлению чистой технологической жидкости в отсек плавающей жидкой среды, и, наоборот, плавающей жидкой среды в очищенную технологическую жидкость.
Патрубок подачи очищаемой технологической жидкости выполнен в виде горизонтального щелевого диффузора с шириной выходного сечения равной внутренней ширине корпуса установки, что позволяет уменьшить скорость движения очищаемой технологической жидкости и проводить гравитационное разделение при ламинарном режиме течения слоя смеси очищаемой и чистой технологической жидкости, наиболее благоприятном при гравитационном разделении смесей. В этом случае процесс очистки технологической жидкости от загрязнений начинается сразу после поступления смеси очищаемой и чистой технологической жидкости в первый отсек гравитационного отстоя.
Смеситель обеспечивает равномерное перемешивание. При лобовом столкновении струй загрязненной технологической жидкости с частью чистой технологической жидкости при равном поперечным сечением струй в месте их контактного столкновения, в максимальной степени реализуется механизм взаимного смешения обоих сред.
Наличие смесителя, в котором загрязненная технологическая жидкость смешивается до однородного состояния с чистой технологической жидкостью, снижает объемную долю обоих компонентов загрязнений, что позволяет увеличить скорость осаждения тяжелых механических примесей и скорость всплытия плавающих жидких сред, повышая технологическую эффективность процесса очистки технологической жидкости от загрязнений.
Для расширения диапазона допустимой загрязненности технологической жидкости, наряду с использованием установки с корпусом с поперечным сечением в виде прямоугольника возможно использование корпусов с другой формой поперечного сечения, расширяющего возможности установки. Использование корпуса установки имеющего поперечное сечение в виде трапеции сочлененной с прямоугольником, расширяет технические и эксплуатационные возможности установки, поскольку, в сравнении с корпусом установки, имеющим постоянное поперечное сечение в виде прямоугольника, увеличивает протяженность перегородок, в результате чего уменьшается толщина слоя смеси очищаемой и чистой технологической жидкости движущейся над верхними кромками перегородок, что обеспечивает лучшую очистку загрязненной технологической жидкость, позволяя в широких пределах регулировать производительность установки. Использование корпуса установки имеющего поперечное сечение в виде кругового кольца или его части, а всех перегородок и патрубка подачи смеси очищаемой технологической жидкости и части чистой технологической жидкости в виде кольца или его части в еще большей степени позволяют улучшить очистку очищаемой технологической жидкости и в более широких пределах регулировать производительность установки.
Работа установки поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана общая компоновка установки и продольное сечение корпуса с поперечным сечением корпуса в виде прямоугольника, на фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 показаны сечения корпуса установки по сечению А - А на фиг. 1, при различных поперечных сечениях корпуса установки: на фиг. 2 показано поперечное сечение корпуса установки с поперечным сечением в виде трапеции, сочлененной с прямоугольником, на фиг. 3 показано поперечное сечение корпуса установки с сечением в виде части кольца, а на фиг. 4 корпус показано поперечное сечение корпуса установки с сечением в виде кольца.
На чертежах фиг. 1 представлена установка, содержащая корпус 1, перегородки 2, глухие снизу перегородки 3, 4, верхнюю перегородку 5, щелевой канал 6, патрубок для подвода загрязненной технологической жидкости 7, патрубки 8 для отвода донного осадка (тяжелых механических примесей), патрубок 9 для отвода очищенной технологической жидкости, патрубок 10 для отвода плавучих жидких сред, гидрозатвор 11, насос 12, делитель потока 13, задвижку 14, трубу 15, задвижку 16, трубу 17, смеситель (гомогенизатор) 18, патрубок (горизонтальный щелевой диффузор) 19, датчик уровня плавучих жидких сред 20. Патрубки 7, 8, 9 и 10 имеют задвижки. Делитель потока имеет три положения: «закрыто» - поток через делитель отсутствует; «смеситель» - поток очищенной технологической жидкости направлен через задвижку 16 в трубопровод 17 и смеситель 18; «смеситель - потребитель» - поток очищенной технологической жидкости направлен через задвижку 16 в трубопровод 17 и смеситель 18, а через задвижку 14 в трубопровод 15 потребителю. На фиг. 1 буквенными обозначениями указаны: з.т.ж. - загрязненная технологическая жидкость; м.п. - механическая примесь; о.т.ж. - очищенная технологическая жидкость; п. ж.с. - плавающая жидкая среда.
Установка располагается в горизонтальном положении и перед началом эксплуатации, должна быть подсоединена трубопроводами к соответствующим патрубкам, а многосекционный отсек гравитационного отстоя и отсек для чистой технологической жидкости, образованный перегородками 3 и 4, предварительно заполнен чистой технологической жидкостью до верхнего уровня перегородок 2. Предварительное заполнение аппарата чистой технологической жидкости необходимо для обеспечения работы установки в установившемся динамическом режиме с момента начала его работы, при минимальной продолжительности переходного режима. Очищаемая технологическая жидкость по патрубку 7 подается в смеситель 18. Одновременно из отсека чистой технологической жидкости по патрубку 9, чистая технологическая жидкость поступает через гидрозатвор 11 в насос 12 и при делителе потоков 13 установленном в положение «смеситель», при открытой задвижке 16 и закрытой задвижке 14, по трубе 17 поступает в смеситель 18. Через патрубок 19 смесь очищаемой и чистой технологической жидкости, равномерно по всей ширине корпуса установки, подается в многосекционный отсек гравитационного отстоя, поэтому процесс гравитационного разделения механических примесей и плавающей жидкой среды начинается сразу по всей внутренней ширине корпуса установки в самом начале первой секции отсека гравитационного отстоя.
Режим очистки загрязненной технологической жидкости начинается при движении смеси очищаемой и чистой технологической жидкости поверх перегородок 2. При движении поверх перегородок 2 слоя смеси очищаемой и чистой технологической жидкости из нее отделяется (всплывает) плавающая жидкая среда и осаждаются тяжелые механические примеси. Технологическая жидкость, вытесняемая осаждающимися тяжелыми компонентами, имеет возможность перемещаться в придонном объеме в направлении указанном на рисунке стрелками.
Плавающая жидкая среда всплывает из слоя смеси очищаемой и чистой технологической жидкости и образует на ее верхней поверхности движущийся слой плавающей жидкой среды, который задерживается верхней перегородкой 5. При достижении определенной высоты слоя, плавающая жидкая среда через щелевое окно в верхней перегородке 5 и каналу 6 поступает в отсек для плавающей жидкой среды, образованный перегородкой 4 и правой стенкой корпуса 1, откуда при достижении заданного уровня, определяемого датчиком 20, выводится через патрубок 10 потребителю. Канал 6 имеет уклон в сторону отсека для сбора плавающей жидкой среды, для обеспечения самотечного перемещения плавающих жидких сред.
Поскольку нижняя кромка перегородки 5 ниже верхней кромки перегородки 3, то перегородки 5 и 3 перекрывают по высоте друг друга, это позволяет изменить траекторию движения потока в виде полуокружности с направлением движения вначале сверху вниз, а затем снизу вверх, как показано на рисунке пунктирной линией, в результате чего процесс осаждения мельчайших механических примесей в секции между последней перегородкой 2 и перегородкой 3 за счет действия центробежной силы направленной вниз ускоряется, что уменьшает унос мельчайших по размеру частиц механических примесей в отсек чистой технологической жидкости. Чистая технологическая жидкость из этого отсека отводится через патрубок 9. Постоянный уровень границы раздела чистая технологическая жидкость - плавающая жидкая среда поддерживается с помощью гидрозатвора 11. После достижения заданного уровня границы раздела делитель потоков 13 переключается в положение «смеситель - потребитель» и чистая технологическая жидкость после делителя потока 13 частично поступает через задвижку 16 и трубу 17 в смеситель 18, а основная часть чистой технологической жидкости через задвижку 14 и трубу 15 поступает для использования потребителем.
Смеситель 18, наряду с выполнением основной функции, смешение очищаемой и чистой технологической жидкости, выполняет функцию гидравлического демпфера, смягчающего пульсации, возникающие при прямой насосной подаче этих вод.
Механические примеси загрязнений осаждаются по всему пути следования смеси очищаемой и чистой технологической жидкости, причем вначале большую часть донного осадка составляют наиболее крупные частицы, потом среднего размера, а затем мелкого, поэтому патрубки 8 для отбора донных осадков установлены секционно в виде конусов с различными углами конусности, поскольку угол естественного откоса частиц разной крупности различны.
Для расширения диапазона допустимой загрязненности технологической жидкости, наряду с использованием установки с корпусом с поперечным сечением камеры в виде прямоугольника возможно использование корпусов с другой формой поперечного сечения камеры (трапеции, сочлененной с прямоугольником; кольца или его части).
Предлагаемая установка позволяет зачищать загрязненную технологическую жидкость с высокой степенью загрязнений и является достаточно простым и экономичным способом разделения сред различной плавучести (плотности), поскольку используется гравитационный способ разделения, не требующий специальных капитало- и энергоемких устройств.