СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ МНОГОФАЗНЫХ ТЕКУЧИХ СРЕД И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
METHOD AND DEVICE FOR MULTIPHASE FLUID SEPARATION AND THEIR APPLICATION

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для предварительного разделения многофазных текучих сред, состоящих из фаз жидкость-жидкость и/или фаз жидкость-газ и/или фаз газ-жидкость, где одна или более фаз взвешены в воде в виде пузырьков/капель/частиц субмикронных или микронных размеров, и/или мелкодисперсные частицы органического или неорганического вещества присутствуют в одной или более фаз, и устройство размещено внутри или в соединении с циклоном или флотационной емкостью.
Изобретение также относится к применению устройства.
Более конкретно, изобретение относится к интегрированному устройству для сбора маленьких капель и, посредством этого, увеличения размера капель жидкостей различной чистой массы в многофазном потоке, и таким же образом, сбора маленьких газовых пузырьков и, посредством этого, увеличения размера газовых пузырьков в потоках газ-жидкость или жидкость-газ.
Изобретение также относится к способам введения воздуха/газа в виде пузырьков микронных размеров или в виде насыщенной под давлением воздухом/газом жидкости, или в виде их сочетания, чтобы воздух/газ присоединялся к загрязняющему веществу в потоке жидкости, где описанный способ обеспечивает предварительное отделение добавленных микропузырьков с прикрепленным загрязняющим веществом во время или перед флотационной или циклонной обработкой, которой подвергают непрерывный поток жидкости.
Изобретение также относится к применению устройства, интегрированного в или перед обычной флотационной или циклонной обработкой, или их сочетанием, как очевидно из нижеследующих независимых и зависимых пунктов формулы изобретения.
Изобретение относится к технологии, которая предназначена для разделения многофазных потоков, где различные фазы имеют различную массу. В частности, изобретение относится к разделению нефти, воды и газа в попутной воде нефтяной промышленности, но изобретение также относится к отделению органических и неорганических загрязняющих веществ от обычных сточных вод и питьевой воды таким же образом.
Изобретение также относится к коалесценции маленьких капель жидкости одной фазы в многофазном потоке жидкость-жидкость в большие капли этой фазы.
Изобретение также относится к коалесценции газовых пузырьков микронных и субмикронных размеров в жидкой фазе с образованием больших газовых пузырьков, где эти пузырьки субмикронных или микронных размеров присоединяются к частицам и/или гидрофобным и/или олеофильным загрязняющим веществам в жидкой фазе.
Термином пузырьки и частицы «микронных» размеров обозначают размер, равный или выше 1 мкм, в частности от 1 до 1000 мкм, тогда как термин «субмикронных размеров» означает пузырьки и частицы, размер которых составляет менее 1 мкм.
Уровень техники
В настоящее время существуют различные типы гидроциклонов для разделения компонентов с различным удельным весом. Технология сводится к тому, что многофазную жидкость пропускают по касательной в круглой камере циклона, где центрированный открытый цилиндр обеспечивает высокую скорость вращения многофазной жидкости, так что центробежная сила отделяет частицы или жидкость с наибольшей удельной плотностью к внешней стенке камеры, в то время как более легкие фазы жидкости/газа втягиваются в центре цилиндра.
Вихрь образуется под цилиндром, где фаза с низкой массой накапливается и втягивается в цилиндр, а более тяжелая фаза стремится к внешней стенке и поступает на выход в нижней части циклона. Легкая фаза, которая собирается в вихре под центрированным цилиндром, поднимается внутри цилиндра и ее разгружают как отходы, если эту фазу необходимо отделить. Если, например, частицы или жидкость с чистой массой, большей, чем то, что удерживается, являются загрязняющим веществом, отходы остаются на выходе в нижней части циклона, а чистая фаза поднимается в центрированный цилиндр во входную камеру циклона.
Известно, что способность разделения многофазного потока в результате разности чистой массы, ΔУВ (разность удельного веса), под воздействием центробежной силы приблизительно логарифмически пропорциональна размеру капель одной из различных фаз, которые необходимо разделить. Чем меньше ΔУВ, тем больше размер капли, необходимой для равно-эффективного разделения.
В противоположном случае, когда различные фазы в потоке имеют большую ДУВ, более мелкие частицы/капли могут быть отделены с помощью такой же центробежной силы.
Таким образом, для флотации необходимы пузырьки воздуха/газа субмикронных размеров, чтобы они прикреплялись к загрязняющему веществу в жидкости, так чтобы загрязняющее вещество могло достичь низкой чистой массы. Известно, что при насыщении жидкости (воды) воздухом/газом под давлением, кислород/газ при снижении давления расширяется с образованием пузырьков кислорода/газа субмикронных размеров. Этого также можно достичь при использовании многофазных насосов с давлением 0,4-0,8 МПа (4-8 бар) со стороны нагнетания и введением газа/воздуха со стороны всасывания насоса. Также известно, что такие насосы превращают воздух в пузырьки размером приблизительно 30 мкм, и сочетание давления и такого превращения приводит к так называемой вспененной воде с газовыми пузырьками субмикронных размеров, насыщающими жидкость, которые при снижении давления обычно расширяются до газовых пузырьков размером 1-5 мкм.
Известно, что эффективное разделение во флотационном циклоне, где пузырьки газа прикреплены к загрязняющему веществу для достижения разности по чистой массе, зависит от размера пузырьком. Чем больше число меньших пузырьков, тем больше вероятность захвата загрязняющего вещества и, следовательно, прикрепления к нему. Маленькие пузырьки медленнее отделяются и с большей вероятностью захватывают загрязняющее вещество, если процесс обеспечивает для этого достаточно времени.
Известно, что газовый пузырек может связываться с каплей нефти посредством адгезии, что обеспечивает относительно слабую связь с каплей нефти, или если капля нефти обволакивает газовый пузырек, причем такая связь значительно прочнее.
Известно, что адгезия является наиболее важным моментом известных флотационных процессов, и такие газовые пузырьки затем удаляют капли нефти такого же размера или больше.
2
3
Также хорошо известно, что использование флотации микропузырьков в известных способах флотации означает, что требуется приблизительно в 3 раза больше времени во флотационной емкости, чтобы пузырьки с прикрепленным загрязняющим веществом достигали скиммера/зоны отделения. Также известно, что при размере пузырьков воздуха/газа 30-200 мкм необходима емкость с поверхностью 10 м и высотой более 2,6 м на 100 м/т обрабатываемой воды при обычных способах флотации. Это требуется для того, чтобы короткий циркулирующий поток воздуха/газа/загрязняющих веществ не затягивался в область чистой воды на дне флотационной емкости.
Также известно, что существуют так называемые гибридные технические решения, в которых принципы флотации, циклона, десорбции воздуха/газа объединены в одном устройстве. Обычно такие устройства имеют оптимальное среднее время пребывания потока 40 с.Вода по касательной поступает в цилиндрическую емкость. Внутренний цилиндр, занимающий 1/3 от общей высоты цилиндрической емкости, эквивалент цилиндра со стабилизатором потока в стандартном циклоне, обычно размещают в центре для увеличения скорости вращения жидкости. Затем скорость теряется под цилиндром и под внутренним цилиндром образуется вихревой поток.
Загрязненные материалы поднимаются вместе с газом во внутренний цилиндр и выносятся наружу, а чистая вода поступает на дно цилиндрической емкости. Этот способ описан в US 6749757 B2 и WO 2005/079946 A1.
Обычно гидроциклоны в основном имеют тангенциальный вход и два выхода, один для концентрированной более тяжелой фракции (нижний поток) и один для относительно чистой жидкости, которая вытекает наружу из так называемой трубы насадки для слива (верхний поток). Гидроциклон обеспечивает разделение на основе плотности и преобразование энергии давления в момент вращения, генерируя центробежную силу, которая обеспечивает отделение более тяжелых материалов. Эффект отделения определяется геометрическими параметрами гидроциклона. Отношение между параметрами определяет эффективность гидроциклона. Важно, чтобы геометрия каждого внутреннего компонента обеспечивала плавное перемещение в поддерживаемых ламинарных потоках.
Также известно, что обессоливание нефти можно выполнять путем смешивания нескольких процентов пресной воды с нефтью, посредством чего ее отделяют от солей. Один из способов такого отделения описан в US 537695, где воду в нефти отделяют путем пропускания фаз через спиральную трубку, так что центробежная сила выталкивает воду к внешнему диаметру трубки, а нефть выталкивается в направлении внутреннего диаметра трубки, так что небольшой тангенциальный выход из спирали обеспечивает отделение воды/соли от нефти. Аналогичный сепаратор для отделения воды от нефти описан в US 7314559 В2.
3
Нефтегазовая промышленность производит большое количество сточных вод, которые необходимо очищать. Слив происходит, когда 30-80% воды смешано с нефтью/газом из пласта. Воду/нефть/газ разделяют на месторождении, и водную фракцию, которую не закачивают в пласт, выпускают в накопитель после прохождения через различные процессы очистки для снижения содержания углеводородов. Два водных потока являются типичными для одного месторождения. "Чистый водный поток" из сепаратора под давлением обычно составляет объем 10000-100000 м воды в день, в зависимости от размера месторождения. Эта первая стадия разделения может снизить содержание нефти до 10-40 мг/л. Размер капель оставшейся фракции нефти, которые современные технологии не улавливают, обычно составляет менее 5-10 мкм.
3
На второй и третьей стадиях разделения нефти/газа/воды обычно обрабатывают 1000-5000 м загрязненной воды в день на морских месторождениях. Эта вода, называемая «загрязненный водный поток», обычно имеет содержание нефти от 100 до 1500 мг/л. Этот поток обычно очищают флотацией или на коалесцирующих фильтрах и флотацией. Известные технологии не позволяют извлечь капли нефти менее 5-10 мкм, и на выходе соответственно получают от 10-40 мг нефтяных углеводородов/л.
Ссылки также сделаны на US 4031006, описание ЕР 716869 и описание JP 07194902. Настоящее изобретение отличается от первого упомянутого патента США, как описано ниже, тем что в патенте США не раскрыта насадка для слива циклона, включающая контур спиральной трубки, что является существенным отличительным признаком настоящего изобретения. Известные технологии, используемые для очистки, включают:
- циклоны, в которых нефть механически отделяют от воды;
- совместную подачу конденсата для увеличения размера капель нефти с последующим разделением в циклоне;
- флотационные камеры, в которых нефть отделяют посредством газовой флотации (очень легкие углеводороды или азот в качестве флотационной среды);
- объединенный процесс с использованием флотации, циклона и десорбции газов, в котором флотацию осуществляют в вертикальной цилиндрической емкости с подачей жидкости по касательной;
- коалесценцию нефтяных капель в потоке жидкости с использованием сред или пластин, включенных в поток жидкости;
- адсорбцию на подготовленных фильтрах грубой очистки.
Во всех известных способах для повышения эффективности обработки можно использовать хлопьеобразующие агенты или экстрагирующие агенты.
Современные способы ограничены в том, что их не возможно использовать для обработки больших объемов образующихся сточных вод, если необходимо удалять нефтяные капли размером менее 5-10 мкм. Это является одной из основных причин того, что средний выброс нефти в попутной воде из нефтегазовых месторождений на сегодняшний день составляет приблизительно 22 мг/л в Северном море.
Целью изобретения является обеспечение нового и усовершенствованного устройства, размещаемого в непрерывном потоке обрабатываемой воды внутри или перед многофазным сепаратором, циклоном или флотационной емкостью, которое посредством примешивания газовых микропузырьков или газо-насыщенной жидкости обеспечивает отделение нефти/воды/частиц/газа с размером капель/частиц/пузырьков также менее 5-10 мкм, при этом такое внедрение газовых микропузырьков не приводит к необходимости увеличения времени пребывания в разделительной камере для эффективного разделения.
Кроме того, целью настоящего изобретения является обеспечение нового и улучшенного способа отделения нефтяных углеводородов от воды, в частности, нефтяных капель менее 5-10 мкм, в компактном флотационном циклоне, путем введения в обрабатываемый поток воды газо-насыщенной жидкости и газовых микропузырьков перед устройством.
Еще одной целью изобретения является обеспечение нового и улучшенного способа отделения нефти от воды, в соответствии с вышеупомянутой целью, также посредством сочетания применения устройства, при котором обрабатываемую воду подвергают воздействию только газо-насыщенной воды и газовых микропузырьков или при котором хлопьеобразующий агент и/или тонкодисперсный экстрагирующий агент также добавляют для увеличения степени очистки.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение нового и улучшенного способа отделения других органических и неорганических загрязняющих веществ в непрерывном потоке жидкости, в соответствии с вышеупомянутой целью, также посредством сочетания применения устройства, при котором обрабатываемую воду подвергают воздействию только газо-насыщенной воды и газовых микропузырьков или при котором хлопьеобразующий агент и/или тонкодисперсный экстрагирующий агент также добавляют для увеличения степени очистки.
Целью настоящего изобретения является обеспечение применений устройств для отделения органических и неорганических загрязняющих веществ в непрерывном потоке жидкости.
Способ согласно изобретению отличается тем, что фазы текучей среды пропускают через трубку, которая имеет спиральную форму, чтобы осуществить начальное разделение фаз (коалесценцию) в спиральной форме, и фазы непрерывно направляют по касательной из спиральной формы в циклон или флотационную камеру, где осуществляют дополнительное разделение.
Предпочтительные воплощения очевидны из пп.7-13 формулы изобретения.
Устройство по изобретению отличается трубкой, имеющей спиральную форму, через которую протекают фазы текучей среды, чтобы вызвать предварительное разделение (коалесценцию), причем трубка включает вход и выход для многофазной текучей среды, так что выход направлен по касательной в циклонную или флотационную камеру, где осуществляют дополнительное разделение.
Предпочтительные воплощения очевидны из пп.2-5 формулы изобретения.
В соответствии с предпочтительным применением, устройство представляет собой независимую насадку для слива в циклон или флотационную циклонную емкость. В соответствии с другим вариантом, устройство представляет собой насадку для слива, расположенную в сочетании, на одной линии, с исходной насадкой для слива в циклон или флотационную циклонную емкость. Дополнительное применение устройства очевидно из п.16 формулы изобретения.
Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивают устройство, которое делает возможным отделение нефтяных углеводородов от воды, где добавление газовых микропузырьков или газонасыщенной воды в непрерывный поток жидкости может быть дополнено интенсивным перемешиванием, не приводя к необходимости более длительного пребывания в циклоне или флотационном циклоне маленьких пузырьков и капель нефти, чтобы обеспечить возможность их отделения вместе с нефтяными углеводородами.
Более того, устройство позволяет отделить капли нефти менее 5-10 мкм от обрабатываемой воды, где насыщенную газом под давлением воду энергично смешивают с загрязненным потоком жидкости, так что капли нефти менее 5-10 мкм обволакивают газовые пузырьки меньшего размера, в результате чего разность чистой массы капель нефти с газом и воды намного больше, чем эта величина для воды и капель нефти того же размера, но не обволакивающих газ.
Термином "микронный" обозначают уровень размера пузырьков и частиц от 1 до 1000 мкм, тогда как термин "субмикронный" означает пузырьки и частицы менее 1 мкм.
Кроме того, предложено устройство, обеспечивающее возможность смешивания насыщенной газом под давлением воды с потоком отработанной воды и улучшенного последующего отделения так, что достигают выдающегося эффекта благодаря газовым пузырькам субмикронных размеров, окруженным каплями нефти большего размера, чем пузырьки газа, что обеспечивает наиболее прочную связь.
Более того, предложено устройство для коалесценции и разделения фаз, в котором используют центробежную силу для увеличения размера капель и пузырьков нефтяных капель и свободного газа, так что по мере того, как смесь поступает в традиционную разделительную камеру циклона или флотационной емкости, нефть/газ коалесцируют и их отделяют в виде больших капель/пузырьков, которые можно отделить без необходимости применения известного приема, заключающегося в увеличении времени пребывания для отделения микропузырьков/капель путем обычной флотации микропузырьков.
Предложено устройство для увеличения размера пузырьков, капель и газа в многофазном потоке обрабатываемой воды, а также для улучшения разделения фаз, предназначенное для применения в качестве насадки для слива в циклон или флотационную циклонную/флотационную емкости, чтобы особенно улучшить отделение субмикронных капель/пузырьков/частиц в обрабатываемой воде.
Изобретение отличается тем, что устройство выполнено из трубки спиральной формы, через которую проходит поток жидкости со скоростью, достаточной для многофазного разделения, происходящего в результате действия силы тяжести на фазы различной чистой массы.
Изобретение отличается введением газо-насыщенной воды в жидкий поток через спиральную трубку, перед обработкой; в результате интенсивного перемешивания в потоке жидкости понижается давление, так что газ, насыщающий воду, выделяется в виде газовых пузырьков, которые окружены каплями нефти.
Также изобретение отличается тем, что осуществляют обработку загрязненной воды с фазами, имеющими различную чистую массу, где скорость и центробежная сила при прохождении через спираль обеспечивают коалесценцию субмикронных и микронных газовых пузырьков, окруженных нефтью, и нефти/других загрязняющих веществ в большие капли перед их поступлением в циклон или на флотацию.
Изобретение также отличается тем, что трубка спиральной формы, размещенная.в гидроциклоне или флотационной емкости, имеет дополнительную функцию насадки для слива, заменяя традиционную цилиндрическую насадку для слива в гидроциклонах и флотационных емкостях.
Изобретение также отличается тем, что трубка спиральной формы может образовывать спираль, проходящую снизу вверх к выходу и закручивающуюся по часовой стрелке, и может быть расположена в качества насадки для слива в гибридном гидроциклоне/флотационной емкости, так что поток легких компонентов, поднимающийся к стенками насадки для слива закручивается вверх против потока обрабатываемой воды в емкости и тем самым против точки сброса за край вверху насадки для слива.
Изобретение также отличается тем, что устройство может быть размещено внутри или перед гидроциклоном/флотационным циклоном или внутри или перед флотационной емкостью.
Изобретение также отличается тем, что устройство можно использовать в сочетании с введением легких экстрагирующих текучих сред или хлопьеобразующих агентов.
Изобретение также отличается применением устройства в сочетании с введением гидроколлоидов, которые вступают в реакцию с одно- или многовалентными ионами, как известно ранее.
В соответствии с предпочтительным исполнением вызывающей разделение и коалесценцию насадки для слива, она может быть установлена внутри или перед циклоном, или внутри или перед вертикальным цилиндрическим флотационным циклоном/емкостью, так что фазы с различной чистой массой в обрабатываемой воде разделяют и коалесцируют посредством центробежной силы, и субмикронные капли превращаются в большие капли/пузырьки/конгломераты, которые затем могут быть разделены в циклоне или флотационном циклоне/емкости.
Настоящее изобретение применяют в непрерывном многофазном потоке, в котором вода представляет собой одну фазу, где очень мелкие капли нефти/загрязняющего вещества, в основном, менее 5-Юмкм, с использованием известной технологии сдвигового перемешивания, смешивают с газом, чтобы окружить субмикронные газовые пузырьки и микронные газовые пузырьки менее 5-10 мкм, причем газовые пузырьки как таковые имеют в достаточной степени меньшие размеры, чем капли нефти, и посредством этого увеличивается разность по чистой массе нефти/газа и воды.
В настоящем изобретении различные фазы воды/жидкости/газовых пузырьков эффективно разделяют и коалесцируют в результате приложения центробежной силы, вызываемой пропусканием с высокой скоростью через трубку спиральной формы, где центробежная сила приводит к значительной коалесценции газа, газа, окруженного каплями нефти, а также капель нефти, так что происходит увеличение размера как капель, так и газовых пузырьков, и происходит разделение фаз.
Преимущества настоящего изобретения
Настоящее изобретение отличается от существующих способов/изобретений возможностью использования введения газонасыщенной воды и микропузырьков в поток обрабатываемой воды для достижения улученного разделения различных фаз в жидком потоке, причем это не приводит к необходимости увеличения времени пребывания в оборудовании для разделения и необходимости увеличения размеров оборудования для разделения из-за того, что пузырьки микронных и субмикронных размеров требуют большого объема для разделения в разделительной камере.
Настоящее изобретение отличается от существующих способов/изобретений использованием газо-насыщенной воды и газовых микропузырьков для удаления капель нефти/загрязняющих веществ, которые больше, чем газовые пузырьки, в воде, путем обволакивания газовых пузырьков загрязняющими веществами и, посредством этого, связывания с загрязняющими веществами прочнее, чем посредством адгезии. Более конкретно, это означает, что капли нефти/загрязняющих веществ менее 5-10 мкм могут быть удалены при использовании настоящего изобретения, тогда как такие загрязняющие вещества не могут быть удалены при использовании современных технологий, где пузырьки большего размера и адгезия к загрязняющим веществам накладывают ограничения на то, насколько мелкой может быть фракция загрязняющих веществ для ее удаления.
Настоящее изобретение отличается от существующих способов/изобретений возможностью обработки намного более мелкодисперсных воды/газа/нефти, предварительно отделяемых в насадке для слива в гидроциклон/флотационный циклон или во флотационную емкость в виде больших коалесцированных капель/конгломератов, которые легко отделяются в разделительной камере.
Настоящее изобретение отличается от существующих изобретений возможностью обработки намного более мелкодисперсных воды/газа/нефти, предварительно отделяемых непосредственно перед насадкой для слива в гидроциклон/флотационный циклон или во флотационную емкость в виде больших коалесцированных капель/конгломератов, которые легко отделяются в разделительной камере.
Настоящее изобретение отличается от существующих изобретений тем, что субмикронные и микронные пузырьки могут быть внедрены в загрязняющие вещества/хлопьеобразующие агенты/гидроколлоиды и пропущены через устройство, посредством чего газ, нефть и загрязняющие вещества субмикронных размеров в устройстве вместе подвергаются разделению фаз, вызываемому центробежной силой, так что при поступлении в традиционные устройства разделения загрязняющие вещества субмикронных и микронных размеров уже преобразованы в большие, легко отделяемые конгломераты. Таким образом увеличение размеров (оборудования) не требуется, чтобы осуществить отделение микропузырьков.
Настоящее изобретение отличается от существующих способов/изобретений тем, что при флотации газа, окруженного нефтью, существует прочная связь между нефтью/газом, вместо адгезии, которая является общей для всех флотационных процессов. Преимущества этого состоит в том, что достигаемая намного более прочная связь между газом/нефтью обеспечивает возможность использования более жестких условий флотационных и циклонных процессов, без отрывания пузырьков газа от капель нефти.
Настоящее изобретение отличается от существующих способов/изобретений тем, что легкие экстрагирующие текучие среды могут быть гораздо мельче и лучше вступать в контакт с загрязняющим веществом в обрабатываемом потоке воды при использовании больших сдвиговых усилий, так как тонко измельченные экстрагирующие текучие среды можно отделить в больших конгломератах перед повторной подачей в разделительную камеру во флотационной емкости/циклоне,
Устройство подает загрязненный поток жидкости в разделительную камеру. Газо-насыщенную жидкость или газовые микропузырьки вводят перед устройством, посредством чего они внедряются в загрязненный поток жидкости так что пузырьки субмикронных или микронных размеров обволакиваются загрязняющими веществами. Этот газ, окруженный загрязняющим веществом коалесцирует в устройстве, которое предпочтительно представляет собой спиралеобразную насадку для слива в циклон или в цилиндрическую вертикальную флотационную емкость, так что разность по чистой массе и/или размеру капель существенно возрастает по мере того, как обрабатываемый поток поступает в разделительную камеру, при этом размеры разделительной камеры не увеличивают в результате использования пузырьков субмикронных или микронных размеров, вводимых при разделении. Устройство разделяет различные фазы в форме жидкость-жидкость различной чистой массы, фазы жидкость-газ и/или газ-жидкость различной чистой массы, а также оно может быть использовано для разделения жидкости/газа/частиц, где применяют хлопьеобразующие агенты или гидроколлоиды в качестве добавок, вызывающих разделение.
Устройство в соответствии с изобретением описано далее более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, и в этом описании на Фиг.2-8 одинаковыми номерами обозначены одни и те же операции или компоненты:
1 - подача обрабатываемой воды (альтернативно, смешанной с хлопьеобразующими агентами или гидроколлоидами).
2 - введение насыщенной газом под давлением воды/газовых микропузырьков.
3 - выход насадки для слива в разделительную камеру
4 - средство для сдвигового перемешивания газа/обрабатываемой воды.
5 - насадка для слива
6 - выход, отделенной фазы газ/легкая жидкость в верхней части насадки для слива.
7 - стандартная пластина, действующая как стабилизатор потока.
8 - выход чистой воды.
9 - внешняя спиральная трубка, изогнутая по часовой стрелке как часть насадки для слива.
На Фиг.1 представлен пример коалесценции (после обогащения и роста) капель 102 в спиральной трубке 100, где жидкость 104, включающую определенное содержание газа 106, пропускают с высокой скоростью через спираль так, что центробежная сила разделяет фазы/капли различной чистой массы. Газовые капли собираются в постоянно увеличивающие капли в ходе прохождения через спираль 100. Легкая жидкая фаза и газовые пузырьки вовлекаются в направлении центра спирали и сливаются, и более тяжелая жидкая фаза вовлекается центробежной силой по направлению к стенкам трубки 100. Вход трубки обозначен номером 108, тогда как выход обозначен номером 110, с соответствующими стрелками.
На Фиг.2 представлено (см. также Фиг.3) устройство согласно изобретению, установленное, в качестве насадки для слива, в произвольной цилиндрической разделительной камере 110. Многофазная обрабатываемая вода поступает через трубу 1, в которой все фазы могут быть обработаны разделяющими химическими реагентами. В насыщенной газом под давлением воде понижают давление и/или газ вводят в жидкий поток 1 в средстве 4 для сдвигового перемешивания (смеситель, в котором воду и газ смешивают с высокой мощностью перемешивания). Воду направляют в нижнюю часть насадки 114 для слива через входную трубку 112, и затем подвергают воздействию большой центробежной силы, по мере того как она дополнительно проходит спиральную трубку 116, которая изогнута по часовой стрелке вверх в форме цилиндра. В верхней части цилиндра (в месте, обозначенном номером 118) радиус изгиба увеличивается и трубка одновременно изгибается вверх от поверхности жидкого потока, который возникает в кольцевом пространстве между цилиндрической емкостью и насадкой для слива, перед выходом 3, заканчивающимся с легким изгибом книзу и обычно на 5-20 см ниже поверхности жидкости в кольцевом пространстве, по касательной относительно стенки цилиндра.
В насадке 114 для слива процессы коалесценции и разделения, описанные выше в связи с Фиг.1, происходят с легкой фазой, содержащей пузырьки жидкости/газа субмикронных и микронных размеров, по сравнению с более тяжелой водой. Затем на выходе 3 обрабатываемую воду можно подвергнуть такой обработке, как если бы использовали обычный флотационный газ, с тем отличием, что капли субмикронных и микронных размеров и газ менее 10 мкм доведены до размера, при котором их обычно удаляют в известных циклонных/флотационных процессах, без увеличения времени пребывания обрабатываемой воды в разделительной емкости/камере.
На Фиг.3 представлено устройство согласно изобретению, установленное в гибридной циклонной/флотационной емкости, которая представляет собой вертикальную разделительную емкость со входом 1 в верхней части. Многофазную жидкость/газ смешивают и пропускают через насадку 114 для слива, как описано выше в связи с Фиг.2. Также здесь показано, что слой жидкости и газа в емкости находится на уровне верхнего края насадки 114 для слива. Здесь снижают давление скопления слегка сжатого воздуха, в объеме над насадкой для слива, толчками, путем выталкивания отделенной легкой жидкой фазы и газа через выход 6. В кольцевом пространстве снаружи насадки 5 для слива вода вращается с очень высокой скоростью и коалесцированные большие пузырьки газа и капли нефти находятся под действием больших вихревых сил, так что без применения изобретения, капли нефти менее 5-10 мкм отрывались бы от газовых пузырьков, как происходит при стандартной циклонной флотации.
Поскольку коалесценция капель нефти происходит перед тем как вода, поступающая в эту зону, входит в спираль, и капли нефти менее 10 мкм также окружают газовые пузырьки субмикронных размеров, более легкие и более коалесцированные капли не отделяются от коалесцированных пузырьков газа, так как вихревой поток образуется ниже насадки для слива.
На Фиг.4 показан известный стандартный стабилизатор 7 потока над выходом 8 чистой воды, назначение которого состоит в предотвращении короткого циркулирующего потока из вихревого столба на выходе. Использование насыщенных газом под давлением пузырьков субмикронных и микронных размеров в стандартном флотационном циклоне значительно снижает пропускную способность, так как обычное время пребывания в подобных емкостях составляет от 40 с до 1 мин, и это составляет в 2,5-3 раза меньше, чем требуется для перемещения такого газа в вихревой поток. Затем обычно образуется короткий циркулирующий поток газа и нефти вокруг стабилизатора 7 потока и за пределами выхода 8 чистой воды. Увеличение размера пузырьков/капель, а также увеличение разности чистой массы фаз, в результате настоящего изобретения, означает, что не происходит заметного снижения пропускной способности, по сравнению со стандартной флотацией газа, при введении газа субмикронных и микронных размеров, и короткий циркулирующий поток воздуха/газа/загрязняющих веществ не возникает на выходе при таком же доступном объеме емкости.
Также на Фиг.4 представлен вертикальный восходящий поток вблизи насадки для слива в кольцевом пространстве. Он показан как проходящий через верхнюю часть и внутрь к разгрузочной зоне выхода насадке для слива.
Данное преимущество насадки для слива по изобретению объясняется тем, что при большой скорости циркулирующей жидкости в кольцевом пространстве значительное количество нефти/газовых пузырьков втягивается в направлении насадки для слива. Наличие спиральной трубки, закрученной по часовой стрелке снизу вверх, и циркулирующего снизу вверх с высокой скоростью потока жидкости, означает, что происходит значительное перемещение отделенных нефти/газа вверх вдоль насадки для слива, вызываемое винтовым транспортным эффектом, и коалесценция капель на поверхности насадки для слива. Над краем насадки для слива нефть/газ вовлекается в центр насадки для слива и в выходной клапан, благодаря воздействию скорости вращения воды в кольцевом пространстве.
На Фиг.4 представлено устройство согласно изобретению, установленное в вертикальной гибридной циклонной/флотационной емкости с входом 1 в нижней части. Описание работы аналогично представленному в связи с Фиг.3, за исключением того что вихревой столб под насадкой для слива вращается вокруг центрированной входной трубы 112, и его останавливает известный стабилизатор 7 потока. Данная конструкция также имеет все вышеуказанные преимущества устройства согласно изобретению изобретением.
На Фиг.5 представлено устройство согласно изобретению, установленное перед флотационной/циклонной гибридной конструкцией, где стандартным решением насадки для слива является углубление цилиндрической формы в традиционной вихревой камере. Жидкий поток в устройстве согласно изобретению проходит в верхнюю части трубки спиральной формы и направлен по касательной на внутреннюю сторону внешней стенки вихревой камеры. Ранее отмеченные преимущества предварительной обработки капель/газовых пузырьков сохраняются, и выходящую фазу газ/легкая жидкость отводят через насадку для слива и дополнительно внутри кольцевой спиральной трубки.
На Фиг.6 представлено устройство согласно изобретению внутри циклона или внутри стандартной вихревой камеры в виде насадки для слива.
На Фиг.7 представлено устройство согласно изобретению, где спираль проходит от верхней к нижней части насадки для слива, затем закручена по часовой стрелке с большим расстоянием и круче по диагонали вверх, чтобы направлять более коалесцированную легкую фазу капель/газа вверх и выше края. Это решение является типичным для высоких концентраций нефти/газа в воде.
На Фиг.8 представлено устройство согласно изобретению с боковым входом, и входная часть изогнута по диагонали внутрь насадки для слива, перед тем, как она изогнута с образованием цилиндрической формы по часовой стрелке и вверх, как показано ранее.
Пример
2000 л воды смешивали с сырой нефтью с получением концентрации 200 мг/л. Смешивание осуществляли в сдвиговом смесительном насосе [обозначенном EDUR EB4u] - многофазном насосе, без введения газа. Измерения размера капель нефти показали, что 24 ppm (частей на миллион) смешанной сырой нефти имело размер частиц менее 5 мкм.
3
Была предпринята попытка удалить нефть путем введения воздушных пузырьков перед гибридной циклонной/флотационной емкостью, причем введение газовых пузырьков осуществляли добавлением в стандартный струйный смеситель. Типичный размер газовых пузырьков составлял 50-150 мкм. Его обрабатывали вместе с загрязненной нефтью водой со скоростью подачи 1 м/т. Из воды удаляли до 20 ppm нефтяных углеводородов в результате очистки, 16 ppm измеренных остаточных загрязняющих веществ имели размер капель менее 10 мкм. В этом испытании использовали компактную циклонную/флотационную емкость с временем пребывания потока обрабатываемой воды 40 с.
Испытание 1
Затем то же компактное циклонное/флотационное устройство использовали с той же водой и при такой же скорости, но с добавлением насыщенной газом под давлением воды, полученной с помощью такого же многофазного насоса EDUR EB4u, в котором газ дробили и прикладывали давление 0,8 МПа (8 бар), перед впрыскиванием и интенсивным перемешиванием с загрязненной водой перед компактной циклонной/флотационной емкостью.
3
Оказалось невозможным удаление мелких газовых пузырьков, окруженных углеводородами, и короткий циркулирующий поток с газом выходил из устройства. Измеренное количество нефтяных углеводородов составляло 64 ppm в воде после очистки. Скорость обработки снижали до 0,5 м/т без последующего устранения короткого циркулирующего потока микропузырьков/капель нефти в воде после очистки.
Испытание 2
3
Трубку спиральной формы устанавливали в то же компактное циклонное/флотационное устройство, как показано на Фиг.2, и испытания повторяли с введением насыщенной газом под давлением воды, интенсивно перемешиваемой с потоком обрабатываемой воды, с использованием стационарного сдвигового смесителя, и затем пропускали через трубку спиральной формы, действующую как насадка для слива во флотационную емкость. В результате отсутствовал короткий циркулирующий поток мелких газовых пузырьков/газа-нефти на выходе воды после очистки при скорости потока 1 м/т. Образцы имели менее 1 ppm нефтяных углеводородов на выходе и, таким образом, обеспечивали почти полное удаление капель нефти менее 5-10 мкм.
Испытания 3
В процессе, аналогичном испытанию 2, использовали 1000 литров городских сточных вод (канализационные отходы) при ОСОУ (общем содержании органического углерода) 64 мг/л, где гидроколлоид в качестве биополимера приводили во взаимодействие с двухвалентными ионами с образованием хлопьев с загрязняющими веществами в потоке обрабатываемой воды, непосредственно перед сдвиговым перемешиванием и введением газовых пузырьков субмикронных и микронных размеров (см. предшествующую заявку заявителя).
Очищенный выходящий поток не содержал пузырьков и был прозрачным. Образцы показали наличие только растворенного углерода в количестве 23 мг/л, и анализ показал, что вода приблизительно на 99,9 свободна от взвешенных веществ ВВ.
Настоящее изобретение обеспечивает большой шаг вперед, благодаря тому, что текучую среду можно предварительно (или заранее) отделить в трубке спиральной формы, перед тем, как фазы выходят по касательной в камеру циклона и их подвергают дальнейшему и окончательному фазовому разделению. Это означает сокращенное время пребывания/выдержки в гидроциклоне, и повышенное и улучшенное разделение тяжелой и легкой фаз текучих сред. Другой существенный признак состоит в том, что улучшенное разделение может быть достигнуто без необходимости введения добавок, таких как химические вещества.