АКУСТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СБОРА НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ С ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ
ACOUSTIC DEVICE FOR GATHERING OF OIL AND OIL PRODUCTS FROM WATER SURFACE

Изобретение предназначено для охраны окружающей среды, в частности для сбора нефти и нефтепродуктов при очистке естественных и искусственных водоемов. Изобретение может быть использовано также для ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов.
Известно устройство для сбора нефтепродуктов, использующее акустическую технологию, содержащее камеру с отводящей горловиной, соединенной с входом в сепаратор, нижняя часть которого соединена с приемной емкостью для нефтепродуктов, причем камера установлена на поплавковом основании, нижняя часть камеры выполнена перфорированной с отверстиями для прохода воды с нефтепродуктами внутрь камеры, в которой установлен выше отметки уровня газовый коллектор с отверстиями с установлением на каждом из них газоструйного излучателя ультразвука. Газовый коллектор соединен с источником подачи сжатого газа. При работе излучателя 12 ультразвука происходит интенсивная диссипация ультразвука в поверхностной пленке нефтепродукта, приводящая к его отрыву от поверхности воды, распылению на мелкие капли и уносу их струями газа. Далее в сепараторе нефтепродукты отделяются от газа и поступают в приемную емкость (Патент РФ №2049200 от 20.02.1992 г., МПК Е02В 15/04).
Устройство имеет недостатки. Во-первых, низка производительность этого метода сбора нефтепродуктов, так как, во-первых, энергию ультразвука приходится тратить на высокоэнергозатратный процесс распыления нефти. Во-вторых, распыление повышает загрязнение воздуха углеводородами и уменьшает пожаробезопасность процесса сбора.
Известно ультразвуковое устройство для ликвидации нефтяных разливов, которое нефтяные разливы рассеивает на поверхности водоема путем воздействия ультразвуковой энергией для получения гомогенизации смеси нефти и воды и последующего поглощения (растворения) нефти в общем большом объеме воды (Патент US №4222868 от 16.09.1980 г., МПК C02F 1/36). Сбора загрязняющей жидкости в устройстве не предусмотрено.
Известно устройство, использующее акустические волны в воде, как движущую силу для сметания загрязнений, подобных нефтяным разливам, вдоль поверхности воды. Акустические волны излучаются устройством, расположенным ниже поверхности воды и направленным под скользящим углом к периферическому краю нефтяного разлива. Акустические волны при отражении от границы с воздухом формируют активную приповерхностную горизонтально расположенную зону, в которой формируется распределенный источник силы на краю нефтяного разлива. Этот метод использует звук в качестве силы, перемещающей (сметающей) поверхностные загрязнения, вдоль поверхности воды (Патент №US 4235711 от 25.11.1980 г, МПК Е02В 15/04. Патент US 4235711 от 25 ноября 1980 г.). Это устройство предназначено для перемещения по поверхности воды пятен нефтяных разливов, ограничения площади разливов нефти, однако не решает проблему сбора загрязнений.
Известно другое изобретение, использующее акустические колебания в области очистки водоемов от загрязнений. Устройство осуществляет распыление и сжигание жидких углеводородов, плавающих на воде. Нефть или другой горючий материал, загрязняющий море, сжигается устройством, имеющим частично погруженную форсунку, снабженную преобразователем высокочастотных акустических колебаний. Преобразователь снабжен трансформером скорости, сконструированным с целью концентрации акустических колебаний в области максимальной интенсивности у верхнего конца трансформера. Поплавковое приспособление на форсунке обеспечивает плавучесть таким образом, что верхний конец трансформера скорости расположен на подходящем расстоянии над поверхностью воды. Система поджига на форсунке выступает сверху над трансформером скорости, чтобы воспламенять облако нефти, которое распыляется над устройством благодаря преобразователю (Патент US №4308006 от 29.12.1981 г., МПК F23C 11/02).
Для широкого применения устройство не обладает достаточно высокой производительностью.
Известно устройство для сжигания горючих загрязнений, плавающих на поверхности водяного водоема. Устройство имеет первое тело и плавательное средство для расположения его (первого тела) вблизи поверхности воды. Первая камера расположена в первом теле. Резонансная камера фиксируется относительно поверхности первого тела и выше первой камеры и располагается выше поверхности воды, когда аппаратура используется. Жидкость с высокой скоростью может впрыскиваться из первого тела в резонансную камеру, образуя ударную волну, которая направляется назад к загрязнителю (загрязняющему агенту) для распыления загрязнителя. Распыленный загрязнитель может быть сожжен (Патент US 4576569 от 18.03.1986 г., МПК F23C 11/04).
Известно устройство для сбора несмешиваемой жидкости с поверхности воды, являющееся по принципу действия пороговым нефтесборщиком, и может быть использовано для ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов. Устройство содержит цилиндрическую камеру, погружной насос с поплавком, приводом, напорным трубопроводом и гибким кабелем электроснабжения, кольцевой вход в цилиндрическую камеру с защитной решеткой, поплавки, обеспечивающие плавучесть устройства. Поверхностный слой воды вместе с несмешиваемой жидкостью с плотностью ниже плотности воды аккумулируется в вертикально расположенной цилиндрической камере, нижний конец которой герметически закрыт, а верхний имеет кольцевой вход между цилиндрической камерой и ее крышкой. Жидкость из цилиндрической камеры откачивается погружным насосом, имеющим поплавок для всплытия (Патент РФ №2369689, МПК B01D 17/02, C02F 1/40). Изобретение приемлемо для сбора и откачки нефти в благоприятных условиях функционирования. Однако оно теряет свою эффективность в случаях тонких слоев собираемых загрязнений и практически непригодно при сборе сильно вязких загустевших нефтепродуктов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к изобретению является акустическое устройство для сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности воды, содержащее корпус с впускным отверстием и коллектором, систему обеспечивающих плавучесть поплавков, прикрепленных к корпусу кронштейнами, циркуляционный насос с патрубком, резервуар для сбора нефтепродуктов, соединенный гибким шлангом с патрубком циркуляционного насоса, источник питания, соединенный с циркуляционным насосом и ультразвуковым генератором, подключенным к источнику ультразвука, погруженному под поверхность воды и направленному на границу слоя нефти с водой, при этом источник ультразвука выполнен в виде ультразвукового фокусирующего преобразователя, который поддерживается ниже поверхности воды, а его фокальная область совмещена с нижней стороной загрязнения или нефти (Патент US №4032438 от 28.06.1977 г., МПК B01D 37/00).
К недостаткам устройства, принятого за прототип, относятся относительно малая производительность по сбору нефти и недостаточная экологическая чистота функционирования, обусловленная генерацией облака углеводородов при ультразвуковом фонтанировании. С этим связан повышенный риск возгорания газового углеводородного облака. Последние из перечисленных недостатков объясняются выходом струи, индуцированной сфокусированным ультразвуком в виде фонтана, в воздушное пространство над поверхностью воды.
Техническим результатом изобретения является увеличение производительности сбора нефтяной пленки с поверхности воды, а также улучшение экологической чистоты и обеспечение безопасности процесса сбора нефти.
Технический результат достигается за счет того, что в акустическом устройстве для сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности воды, содержащем корпус с впускным отверстием и коллектором, систему обеспечивающих плавучесть поплавков, прикрепленных к корпусу кронштейнами, циркуляционный насос с патрубком, резервуар для сбора нефтепродуктов, соединенный гибким шлангом с патрубком циркуляционного насоса, источник питания, соединенный с циркуляционным насосом и ультразвуковым генератором, подключенным к источнику ультразвука, погруженному под поверхность воды и направленному на границу слоя нефти с водой, корпус снабжен регулирующим уровень кромки впускного отверстия на границе нефти и воды грузом, в корпусе вокруг коллектора выполнена герметичная полость, в которой размещены источник питания и ультразвуковой генератор, а источник ультразвука выполнен в виде системы ультразвуковых излучателей, расположенных по кругу вблизи впускного отверстия коллектора под скользящим углом к границе слоя нефти с водой, при этом уровень кромки впускного отверстия коллектора выставлен на границе нефти и воды.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлены основные элементы конструкции и суть процесса сбора нефти. Акустическое устройство для сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности воды содержит корпус 1, состоящий из коллектора 2 с впускным отверстием 3, и герметичной полости 4, расположенной вокруг коллектора 2, расположенные в герметичной полости 4, источник питания 5 и ультразвуковой генератор 6, циркуляционный насос 7 с патрубком 8, расположенный на дне полости коллектора 2, источник ультразвука, выполненный в виде системы ультразвуковых излучателей 9, расположенных по кругу вблизи впускного отверстия коллектора 2 под скользящим углом к границе слоя нефти с водой, при этом уровень кромки впускного отверстия 3 коллектора 2 выставлен на границе нефти и воды, систему обеспечивающих плавучесть поплавков 10, прикрепленных к корпусу 1 кронштейнами 11, регулирующий уровень кромки впускного отверстия на границе нефти и воды груз 12, расположенный внизу под корпусом 1, резервуар для сбора нефтепродуктов 13, соединенный гибким шлангом 14 с патрубком 8 циркуляционного насоса 7. Резервуар для сбора нефтепродуктов 13 расположен на берегу 15 водоема со слоем нефтяного загрязнения 16. Источник питания 5 соединен с ультразвуковым генератором 6 и циркуляционным насосом 7. Ультразвуковой генератор 6 подключен к системе ультразвуковых излучателей 9.
Акустическое устройство для сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности воды работает следующим образом. Согнав боновым ограждением попавшие на водную поверхность нефть или нефтепродукты, устройство помещают в загрязненную зону водоема. Перед началом работы необходимо отрегулировать глубину погружения устройства так, чтобы кромка впускного отверстия 3 коллектора 2 была на уровне границы раздела собираемой нефти с водой или на 1-2 мм ниже этого уровня. Плавучесть всего акустического устройства сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности воды обеспечивается четырьмя поплавками 10, прикрепленными к корпусу 1 с помощью кронштейнов 11 и, с целью регулировки уровня глубины погружения, подстраивается подвешиванием груза 12 подходящей массы. Поддержание глубины погружения верхней кромки впускного отверстия на уровне границы раздела нефти с водой имеет большое значение для обеспечения высокого качества сбора нефти, т.е. получения максимально большой доли содержания нефти в забираемой из водоема жидкости при высокой производительности процесса сбора загрязнений.
При оптимальной глубине погружения устройства возникает самопроизвольный слив нефтяной пленки через впускное отверстие 3 в коллектор 2.
После набора в коллектор 2 нефти и (или) воды, включают расположенные в герметичной полости 4, работающие от источника питания 5, ультразвуковой генератор 6 и циркуляционный насос 7. В качестве источника питания 5 служит электрический аккумулятор. Возможны также варианты электрического питания с берега 15 или с борта специализированного судна, осуществляемого по гибкому электрическому кабелю. Высокочастотное электрическое напряжение частотой 0,5-2 МГц от ультразвукового генератора 6 подается на систему ультразвуковых излучателей 9. При этом системой ультразвуковых излучателей 9, находящихся ниже поверхности воды, возбуждаются ультразвуковые волны в радиальных по отношению к впускному отверстию 3 направлениях под скользящим углом к поверхности воды. Они концентрируют волновую энергию по кругу вблизи кромки впускного отверстия 3. Эти сходящиеся ультразвуковые волны индуцируют дополнительный к самопроизвольному сливу поток жидкости (смеси нефти и воды). Важно отметить, что при этом возникающее акустически индуцированное поверхностное течение не сопровождается образованием фонтана (выходом струи жидкости над поверхностью). Отдельные ультразвуковые излучатели могут быть как фокусирующего типа, так и нефокусирующего типа. Фокусирующие излучатели предпочтительны в случае жидких загрязнений с высокими значениями вязкости. Нефокусирующие ультразвуковые излучатели перекрывают большую площадь, формируют более широкий поток поверхностной пленки нефти, направляемый во впускное отверстие 3, и более эффективны в случаях мало вязких нефтяных загрязнений. Конкретный набор разного типа излучателей может быть подобран в зависимости от свойств собираемой нефти. Доля дополнительного индуцированного ультразвуком потока в некоторых важных случаях может значительно превышать самопроизвольный слив. Прежде всего, это наблюдается в случаях загустевших нефтепродуктов, обладающих большой вязкостью, когда самотек затруднен или вовсе невозможен. Вклад нефтяного потока, индуцированного ультразвуком, может превышать самотек и в случае обычной нефти с малой вязкостью, если толщина пленки достаточно мала, меньше 3 мм.
Смесь нефти и воды перекачивается циркуляционным насосом 7 с патрубком 8 по гибкому шлангу 14 в резервуар для сбора нефтепродуктов 13, откуда нефть после отстоя может быть эвакуирована для прямого использования.
Если сравнивать представленное акустическое устройство сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности воды с прототипом, то можно утверждать, что оно обладает существенно большей производительностью. Это обусловлено как многоканальной конструкцией системы ультразвуковых излучателей, так и радиально-горизонтальной направленностью индуцированных ультразвуком потоков нефтяных загрязнений, позволяющей получать большие по величине радиальные поверхностные потоки нефти на большой площади. Погруженность кромки впускного отверстия ниже уровня поверхности нефти вызывает дополнительный самопроизвольный слив нефти в коллектор, что повышает суммарную производительность устройства особенно при работе на толстых пленках нефти (толщиной более 3 мм). Отсутствие выхода фонтанных струй над поверхностью улучшает экологическую чистоту процесса и делает процесс сбора нефти пожаробезопасным.