СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ЖИДКОСТНЫХ ЭМУЛЬСИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF SEPARATING LIQUID EMULSIONS AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области химии, нефтехимии, нефте- и газопереработки, а именно к устройствам и системам разделения гетерогенных жидких смесей, и может применяться, в частности, для разделения водно-углеводородных смесей.
Разделение жидкостных эмульсий, в которых мелкодисперсные капли одной жидкости находятся в объеме другой жидкости, является важной технической задачей. В частности, к таким задачам относится обезвоживание исходного углеводородного сырья, полупродуктов и продуктов предприятий химического и нефтехимического профиля либо выделение углеводородных примесей из сточных вод.
Разделение эмульсий может производиться путем их отстаивания и расслаивания, однако скорость таких процессов может быть весьма низкой, что приводит к снижению эффективности разделения и низкой производительности таких технологий. Также отделение углеводородов может осуществляться за счет ректификации исходных смесей, однако это сопряжено со значительными капитальными и энергетическими затратами.
Эффективным способом разделения жидкостных эмульсий является коалесцентная фильтрация, основанная на пропускании исходной эмульсии через фильтрующие материалы, которые имеют различную способность к смачиванию различными компонентами смеси и, соответственно, различную пропускную способность по отношению к ним. Кроме того, коалесцентные фильтры стимулируют коалесценцию (слияние) мелких капель диспергированной жидкости в более крупные, что облегчает и ускоряет их последующее гравитационное отслоение. Коалесцентная фильтрация отличается высокой эффективностью и весьма малым уровнем энергетических и прочих эксплуатационных расходов.
Существует задача поиска оптимального способа организации разделения жидкостных эмульсий и оптимальной конструкции устройства для его осуществления, обеспечивающих максимальную эффективность разделения жидкостных эмульсий при минимальных габаритах устройства в сочетании с простотой его эксплуатации.
Известны способ организации разделения жидкостных эмульсий и устройство для его осуществления (патент США №US 2758720, МПК B01D 17/10; C10G 33/06, приоритет от 29.06.1953). Известные технические решения основаны на пропускании разделяемой эмульсии через множество горизонтальных последовательных ступеней фильтрации, скомпонованных в виде нисходящей лестницы. За счет избирательной фильтрации жидкостей происходит их разделение. Недостатком известных способа и устройства является низкая производительность, а также громоздкость устройства, которая ограничивает его применение.
Известен способ организации разделения жидкостных эмульсий, включающий пропускание разделяемой эмульсии через множество вертикально соединенных полных и усеченных фильтрующих конусов (патент США №5750024, МПК B01D 17/04H; B01D 39/16B4; B01D 39/20B4; B01D 39/20D4; B01D 46/00C10; B01D 46/00D2; B01D 46/00F20D; B01D 46/24F2, приоритет от 31.03.1995). Такая конструкция отличается компактностью. Недостатками известного способа является его низкая технологичность, сложность обслуживания и замены слоев фильтрующего материала, а также технические сложности, возникающие при создании фильтров большой производительности.
Известен способ организации разделения жидкостных эмульсий и устройство для его осуществления (патент РФ №2105584, МПК B01D 17/04, приоритет от 25.04.1997, опубликовано 27.02.1998). Известные технические решения включают пропускание разделяемой эмульсии через горизонтально расположенный корпус круглого сечения с патрубками для ввода исходной эмульсии и раздельного вывода ее компонентов после разделения, внутри которого под углом не ниже угла оттекания жидкости по направлению к движущемуся потоку последовательно расположены несколько слоев фильтрующего материала Такая конструкция отличается простотой и позволяет создавать устройства для разделения эмульсий большой единичной мощности.
Недостатком известных способа и устройства является недостаточно высокая эффективность разделения жидкостных эмульсий, связанная с тем, что один из компонентов эмульсии может накапливаться внутри пор фильтрующего материала и затем, после заполнения пор, выдавливаться сквозным потоком эмульсии, протекающей через фильтрующий материал, обратно в этот поток. При этом размер выдавливаемых капель этого компонента может быть даже меньше их размера в исходной эмульсии, соответственно, разделение такой вторичной эмульсии является даже более сложной задачей, чем разделение исходной эмульсии.
Перед авторами ставилась задача разработать способ организации разделения жидкостных эмульсий и простое по конструкции устройство, обеспечивающие высокую эффективность разделения эмульсий.
Поставленная задача решается тем, что в способе разделения жидкостных эмульсий, включающем пропускание потока эмульсии через устройство, содержащее корпус, снабженный патрубком подачи исходной эмульсии, хотя бы двумя патрубками раздельного вывода компонентов эмульсии, и хотя бы один расположенный внутри корпуса фильтрующий блок, содержащий слои фильтрующего коалесцентного материала, фильтрующий блок выполняют разделяющим объем корпуса на верхнюю и нижнюю части, при этом патрубки подачи исходной эмульсии и вывода одного из компонентов эмульсии располагают в верхней части корпуса над фильтрующим блоком, патрубок вывода второго компонента эмульсии располагают в нижней части корпуса под фильтрующим блоком, а корпус выполняют содержащим внешнюю опорную конструкцию, выполненную либо с возможностью расположения корпуса при эксплуатации таким образом, чтобы фильтрующий блок располагался горизонтально, либо с возможностью расположения корпуса при эксплуатации таким образом, чтобы фильтрующий блок располагался с подъемом в направлении пропускания эмульсии. При этом используют фильтрующий блок, включающий слои пористо-ячеистого металла либо пористо-ячеистого сплава, либо их комбинации с другими фильтрующими материалами. В устройстве для разделения жидкостных эмульсий, включающем корпус, снабженный патрубком подачи исходной эмульсии, хотя бы двумя патрубками раздельного вывода компонентов эмульсии, и хотя бы один расположенный внутри корпуса фильтрующий блок, содержащий слои фильтрующего коалесцентного материала, фильтрующий блок разделяет объем корпуса на верхнюю и нижнюю части, при этом патрубки подачи исходной эмульсии и вывода одного из компонентов эмульсии расположены в верхней части корпуса над фильтрующим блоком, патрубок вывода второго компонента эмульсии расположен в нижней части корпуса под фильтрующим блоком, а корпус содержит внешнюю опорную конструкцию, выполненную с возможностью расположения корпуса при эксплуатации таким образом, чтобы фильтрующий блок при этом располагался внутри корпуса либо горизонтально, либо с подъемом в направлении пропускания эмульсии. При этом фильтрующий блок включает слои пористо-ячеистого металла либо пористо-ячеистого сплава, либо их комбинации с другими фильтрующими материалами.
Технический эффект заявляемого изобретения заключается в повышении эффективности разделения эмульсий за счет исключения принудительного сквозного потока разделяемой эмульсии через фильтрующий коалесцентный материал. При этом исключается поршневое выдавливание накапливающегося в фильтрующем коалесцентном материале компонента эмульсии, что предотвращает образование вторичной сложно-разделяемой мелкодисперсной эмульсии. Вместо этого происходит постепенное коалесцентное укрупнение капель этого компонента в порах фильтрующего коалесцентного материала и их последующий сток в виде крупных капель, легко отделяемых впоследствии путем отстаивания.
Изобретение поясняется чертежами, на фиг.1 изображен общий вид устройства для разделения жидкостных эмульсий, где 1 - корпус, 2 - фильтрующий блок, 3 - патрубок подачи исходной эмульсии, 4, 5 - патрубки раздельного вывода компонентов эмульсии, 6 - поток исходной эмульсии, 7, 8 - потоки разделенных компонентов эмульсии.
Устройство состоит из корпуса 1, внутри которого располагается фильтрующий блок 2, содержащий слои фильтрующего коалесцентного материала. Слои фильтрующего коалесцентного материала могут изготавливаться из пористо-ячеистых металлов или сплавов отдельно либо в виде их комбинаций с другими фильтрующими материалами (см., например, патент РФ №2146164, МПК B01D 17/022, приоритет от 14.10.1998). Фильтрующий блок делит внутренний объем корпуса на верхнюю и нижнюю части. Патрубок подачи исходной эмульсии 3 и патрубок вывода одного из компонентов эмульсии 4 расположены в верхней части корпуса над фильтрующим блоком, а патрубок вывода второго компонента эмульсии 5 расположен в нижней части корпуса под фильтрующим блоком.
Поток исходной эмульсии 6 входит в корпус 1 через патрубок 3, проходит вдоль верхней поверхности фильтрующего блока 2. При этом микрокапли одного из компонентов эмульсии накапливаются в слоях фильтрующего коалесцентного материала, в которых происходит их коалесцентное укрупнение, после чего укрупненные капли стекают на дно нижней части корпуса, откуда поток этого компонента эмульсии 8 после отстаивания сливается через нижний патрубок 5. Поток другого компонента эмульсии 7 выходит через патрубок 4, расположенный в верхней части корпуса. Основной поток эмульсии идет вдоль поверхности фильтрующего блока 2, при этом принудительное движение есть только для потока исходной эмульсии из патрубка 3 в патрубок 4 вдоль поверхности фильтрующего блока 2, а отделяемый в нижней части устройства компонент проходит вниз сквозь фильтрующий блок только самотеком за счет гравитации, с очень небольшой скоростью, что позволяет избежать поршневое выдавливание накапливающегося в порах фильтрующего коалесцентного материала компонента эмульсии, предотвращая образование вторичной сложно-разделяемой мелкодисперсной эмульсии и ,тем самым, повышая эффективность разделения исходной эмульсии.
Корпус может быть выполнен содержащим внешнюю опорную конструкцию, выполненную с возможностью изменения наклона корпуса. Схема ориентации корпуса в пространстве приведена на фиг.2, где 9 - исходная эмульсия или один из компонентов эмульсии и 10 - второй компонент эмульсии. Корпус может располагаться при эксплуатации либо горизонтально (фиг.2а), либо с подъемом в направлении пропускания эмульсии (фиг.2б). Расположение с наклоном позволяет упростить отслоение и сбор отделенного второго компонента эмульсии 10 в зоне расположения патрубка 5.
Применение описанного способа и устройства обеспечивает высокую эффективность разделения жидкостных эмульсий, низкое гидравлическое сопротивление устройства потоку разделяемой эмульсии при обеспечении технологической простоты устройства. Кроме того, применение данной конструкции устройства позволяет проводить разделение жидкостных эмульсий в компактных и простых по конструкции устройствах с весьма малыми габаритами и металлоемкостью и высокой надежностью при эксплуатации, что существенно расширяет возможности их практического применения.