СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ НА ФРАКЦИИ РАЗЛИЧНОЙ ПЛОТНОСТИ
METHOD AND DEVICE FOR SEPARATION OF LIQUID INTO FRACTIONS WITH VARIOUS DENSITY

Изобретение относится к способам отстаивания и разделения на фракции жидкостей, имеющих разную плотность, и может быть использовано в нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности.
В основу настоящего изобретения положена задача создания эффективного способа разделения жидкостей и устройства для осуществления данного способа, решение которой актуально как для осуществления промышленных процессов очистки, обогащения, обезгаживания жидкостей, так и в области защиты окружающей среды для очистки сточных вод и водоемов при аварийных разливах жировых и масляных фракций и нефтепродуктов.
Известен способ разделения несмешивающихся жидкостей и устройство для его осуществления. Устройство содержит отстойник, поплавок и патрубок отстоя легкой фазы, связанный с поплавком. В отстойнике установлено вертикально перемещающееся тело, в котором выполнена воронкообразная полость. Патрубок выполнен в виде заборного и сливного штуцеров, связанных между собой гибким шлангом. Исходная жидкость WL, состоящая из смеси тяжелой W и легкой L фракций, подается в отстойник под тело с воронкообразной полостью, где отстаивается. За счет опускания тяжелая фракция выдавливается в сообщающийся сосуд, а легкая собирается воронкообразной полостью (Патент РФ 2006244, B01D 17/00, 12.07.90). Известный способ позволяет повысить качество разделения фракций, однако процесс разделения является трудоемким, длительным и позволяет очищать жидкость только порционно, не обеспечивая непрерывности технологического процесса.
Наиболее близкими по технической сущности к заявляемому изобретению являются способ и устройство для разделения жидкости на фракции различной плотности (патент США №5464529, C02F 1/40, 07.11.95.). Сепарационная установка содержит разделенный на ряд частей корпус, включающий вертикальную емкость, выполненную в виде трубы, имеющей герметичную верхнюю часть с перекрытием для сбора всплывающей легкой фракции, проточную часть, а также патрубки подачи и слива разделяемой жидкости и каждой из фракций.
Согласно указанному способу исходную разделяемую жидкость подают в вертикальную трубу сепарационной установки, нижний конец которой погружен в резервуар, заполненный жидкостью более тяжелой фракции из подлежащих разделению. К верхней части вертикальной трубы подключены вакуумные насосы, создающее разрежение, в результате которого в ней создается более низкое давление, чем на дне. Разделяемая смесь жидкостей через множество форсунок подается в среднюю часть трубы между верхом и низом с относительно низкой скоростью и малой турбулентностью. При этом легкая фракция устремляется вверх по трубе, а тяжелая опускается на дно трубы. Положение границы раздела между фракциями определяется по разнице давлений на дне и вверху и скоростью удаления легкой фракции и контролируется специальной системой, которая постоянно поддерживает ее положение для того, чтобы сохранялось необходимое разрежение в установке.
Известные способ и устройство позволяют обеспечить непрерывность процесса и высокую степень очистки, однако для обеспечения необходимых параметров разрежения, контроля уровней и чистоты очистки требуют сложного технологического обслуживания, специальных систем измерений, включения и управления вакуумными насосами, больших эксплуатационных и энергетических затрат, что усложняет как конструкцию установки, так и процесс разделения в целом.
Техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является снижение эксплуатационных и энергетических затрат при обеспечении непрерывности процесса, повышение эффективности и степени очистки, упрощение конструкции установки, а также возможность автономности от внешних источников энергии.
Указанная задача решается за счет того, что в способе разделения жидкостей на фракции с разными плотностями, включающем подачу потока исходной жидкости в вертикальную разделительную емкость сепарационной установки, осуществление разделения путем создания вакуумного разрежения в верхней герметичной части вертикальной емкости, сбор и слив каждой из фракций, согласно изобретению вакуумное разрежение создают путем вытеснения воздуха за счет предварительного заполнения всей вертикальной емкости жидкостью преимущественно тяжелой фракции с последующим сливом указанной жидкости, а поток исходной смеси при подаче в вертикальную емкость ламиниризируют.
Указанная задача решается также за счет того, что устройство для осуществления способа разделения жидкостей на фракции различной плотности, включающее вертикальную емкость, состоящую из верхней герметичной части, имеющей верхнее перекрытие, и проточной части, а также системы подачи исходной жидкости и слива каждой из фракций в накопительные емкости, согласно изобретению дополнительно содержит заправочный карман, сообщающийся с вертикальной емкостью через зазор, перед которым на днище заправочного кармана и проточной части установлены вертикальные перегородки, ламинизирующие поток исходной жидкости на входе в вертикальную емкость. Дополнительно в верхней герметичной части установлен сборник легкой фракции, соединенный с краном слива легкой фракции и с накопительной емкостью, а также имеется дренажный канал для выпуска газа и пара, снабженный краном.
Согласно изобретению сборник легкой фракции выполнен в виде поплавковой камеры, которая соединяется с краном слива легкой фракции посредством гибкого шланга, а с накопительной емкостью - посредством канала, оснащенного отсечным краном.
При этом жидкость легкой фракции, заключенная в гибком шланге с краном слива легкой фракции, в канале с отсечным краном, соединяющем сборник и накопительную емкость, образует гидравлический столб.
Целесообразно, чтобы накопительная емкость размещалась значительно ниже оси крана слива легкой фракции, а днище проточной части было выполнено с наклоном в сторону стока из установки, на котором размещен кран слива тяжелой фракции.
Кроме того, высота стенок заправочного кармана должна быть больше верхнего перекрытия герметичной части, а верхний срез ламинизирующих перегородок должен располагаться выше оси крана подачи исходной жидкости и оси крана слива тяжелой фракции.
Рабочий уровень жидкости в вертикальной емкости обеспечивается геометрией проточной части - наклоном днища в направлении крана слива тяжелой фракции, благодаря чему зазор перекрывается столбом жидкости.
Перегородки, формирующие ламинарный поток на входе в вертикальную емкость, позволяют сделать процесс разделения жидкости более интенсивным, так как одновременное создание восходящего потока смеси жидкостей на входе в вертикальную емкость усиливает эффект разделения на фракции и частично удаляет воздух из подаваемой смеси, поступление которого снижает необходимый уровень разрежения в верхней части. Для обеспечения интенсивного процесса ламиниризации потока, верхний срез перегородки должен располагаться выше горизонтальных осей крана подачи исходной жидкости и крана слива тяжелой фракции.
Выполнение днища проточной части наклонным в сторону стенки корпуса и проточной части, на которой размещен кран слива тяжелой фракции, обеспечивает поддержание рабочего уровня в вертикальной емкости, позволяет интенсифицировать процесс всплытия легкой фракции, обеспечивает большую чистоту тяжелой фракции и более полное опорожнение установки при остановке цикла.
На чертеже показан разрез общего вида установки для разделения жидкостей на фракции с различными плотностями спереди и сбоку.
Устройство имеет сварной герметичный корпус 1 и включает вертикальную емкость 2, состоящую из верхней герметичной части 3, образованной стенками вертикальной емкости и верхним герметичным перекрытием 4 и проточной части 5, а также заправочный карман 6, высота вертикальных стенок 7 которого больше высоты перекрытия верхней герметичной части. У верхнего среза заправочного кармана установлен заправочный кран 8, а в его нижней части - кран 9 подачи исходной смеси и воронка 10. На стенке корпуса и проточной части установлен кран 11 слива очищенной тяжелой фракции. Днище 12 проточной части выполнено наклонным в сторону крана слива тяжелой фракции. У нижнего среза проточной части установлен дополнительный сливной кран 13 для удаления оседающих примесей и возможных остатков тяжелой и легкой фракций при эксплуатации установки.
В верхней герметичной части вертикальной емкости расположен сборник 14 всплывающей легкой фракции, выполненный, например, в виде поплавковой камеры 15, соединенной посредством гибкого шланга 16 с краном 17, предназначенным для слива легкой фракции L. Также в верхней герметичной части выполнен дренажный канал 18, сообщающийся с краном (или клапаном) 19, служащим для выпуска газа и пара. Кроме того, сборник легкой фракции соединен каналом 20, снабженным отсечным краном 21, с накопительной емкостью 22. Накопительная емкость установлена значительно ниже крана 17 слива легкой фракции.
На днище проточной части и заправочного кармана установлены вертикальные перегородки 23, 24, ламинизирующие турбулентный поток поступающей смеси. Перегородки размещены до и после зазора 25, через который проточная камера сообщается с заправочным карманом. Ширина зазора регулируется в зависимости от состава разделяемой смеси.
Верхний срез перегородок должен располагаться выше оси крана 9 подачи исходной рабочей жидкости и крана 11 слива тяжелой фракции.
Жидкость легкой фракции, заключенная в системе, включающей сборник 14 - гибкий шланг 16 - кран 17 - канал 20 - кран 21 - накопительную емкость 22, образует гидравлический столб, который служит для увеличения интенсивности сбора и слива легкой фракции L в накопительную емкость. По мере накопления жидкости легкой фракции в емкости 22, срез канала 20 перекрывается этой жидкостью, и интенсивность сбора легкой фракции значительно увеличивается.
Способ разделения жидкости на фракции различной плотности, реализуемый при помощи предложенного устройства, осуществляется следующим образом.
Перед началом процесса разделения через заправочный кран 8 или через верхний срез заправочного кармана 6 вертикальную емкость 2 полностью заполняют жидкостью тяжелой фракции W при открытом кране 19. При заполнении вертикальной емкости уровень жидкости постепенно поднимается, вытесняя воздух, выходящий через дренажный канал 18 и кран 19. По вытеканию жидкости через кран 19 контролируется максимальное удаление воздуха. Кран 19 закрывают и открывают кран 11 для слива жидкости и создания вакуума.
В результате предварительного вытеснения воздуха жидкостью тяжелой фракции W и ее последующего слива, верхняя герметичная часть 3 вакуумируется до такого значения разрежения, при котором устанавливается рабочий уровень жидкости. При этом зазор 25 перекрыт и воздух не поступает в герметичную часть вертикальной емкости. Это также достигается углом наклона днища 12 проточной части 5. Установка готова к процессу разделения жидкостей.
Затем через кран 9 либо через воронку 10 в установку подается поток исходной смеси жидкостей WL, подлежащих разделению. При поступлении в вертикальную емкость поток переливается через перегородки 23, 24, которые предназначены для ламиниризации потока и интенсификации процесса разделения жидкости WL на фракции W и L. Ширина зазора выбирается в зависимости от вида и состава разделяемой жидкости.
При заливе исходной смеси WL, уже перед перегородкой, благодаря изменению характера потока с турбулентного на ламинарный легкая фракция L (например, нефтепродукты) активно перемещается в верхний слой, за счет созданного вакуума интенсивно засасывается на верхний уровень смеси и собирается над поплавковой камерой 15 сборника 14, откуда через сливное отверстие и гибкий шланг 16 поступает в кран 17 слива легкой фракции и далее в накопительную емкость 22. Гидравлический столб жидкой фракции активизирует процесс сбора и слива легкой фракции.
3
Например, при разделении предложенным способом масляно-водяной смеси с первоначальным содержанием легкой фракции 5 мг/л содержание легкой фракции составляло всего 0,04 мг/л, а степень разделения составила 99,2%. При этом процесс производился непрерывно с производительностью 1,5 м/час.
Таким образом, создавая разрежения за счет предварительного заполнения вертикальной емкости жидкостью тяжелой фракции, ее последующим сливом в совокупности с ламинированием потока, можно производить разделение жидкости на фракции с большой эффективностью, используя при этом только энергию потока жидкости, что является явным преимуществом предложенного способа.
Конструкция установки исключает попадание легкой фракции в тяжелую, что обеспечивает высокую надежность установки. Например, при разделении смеси нефтепродуктов с водой из крана 11 будет поступать только чистая вода, а попадание нефтепродуктов в воду исключено за счет положения рабочего уровня выше крана слива тяжелой фракции.
Другими достоинствами изобретения является автономность от источников энергии, а также то, что процесс происходит непрерывно, экономичен и непродолжителен. Установки могут быть собраны в каскад, что позволит осуществлять обработку больших количеств жидкостей с большой эффективностью и высокой степенью очистки.