НАСОСНОЕ И ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, СПОСОБ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ И НАГРЕВА ПОСТУПАЮЩЕГО МАТЕРИАЛА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
PUMPING AND GRINDING DEVICE, METHOD FOR GRINDING AND HEATING INCOMING MATERIAL AND THEIR APPLICATION

Настоящее изобретение относится к насосному и измельчительному устройству, включающему: по меньшей мере, один погружной насос, размещенный в резервуаре, подходящем для приема поступающего материала, и привод, предназначенный для приведения в действие погружного насоса, и к его применению.
Кроме того, настоящее изобретение относится к способу измельчения и нагрева поступающего материала и к его применению.
Из уровня техники известны различные способы, разработанные для подведения тепловой энергии к жидкой смеси остатков перегонки (смешанных или чистых) и к другим жидкостям. Подвод тепла с помощью высокопроизводительного камерного смесителя является эффективным процессом, однако обладающим рядом недостатков.
В DE 10 2005 056 735 B3 приведено описание высокопроизводительного камерного смесителя для суспензий каталитического крекинга нефти, используемого в качестве реактора для деполимеризации и полимеризации углеводородсодержащих остатков для получения среднего дистиллята в процессе рециркуляции продукта. Указанный способ и указанное устройство обладают недостатком, заключающимся в том, что высокопроизводительный камерный смеситель способен обеспечить лишь незначительное повышенное давление менее 2 бар на стороне нагнетания. Другие недостатки заключаются в том, что высокопроизводительный смеситель должен быть соединен трубопроводной линией от узлов подшипников и уплотнений с системой охлаждения, при этом высокопроизводительный смеситель должен быть герметизирован с целью предотвращения утечки смеси нефтепродуктов.
В DE 10 2012 022 710 A1 приводится описание мобильной установки, предназначенной для переработки сырой нефти, угля, биомассы и промышленных и бытовых отходов в средний дистиллят с помощью турбинной мешалки. Недостаток указанного способа и указанного устройства заключается в сложности описанного высокопроизводительного камерного смесителя вертикальной конструкции. Другие недостатки заключаются в том, что для высокопроизводительного смесителя требуется трубопроводная система, соединяющая его с сепаратором, при этом высокопроизводительный смеситель должен быть герметизирован и иметь тщательно уложенную теплоизоляцию с целью минимизации тепловыделения в окружающую среду.
В DE 10 2008 009 647 A1 приведено описание насоса суспензионного реактора, предназначенного для нагнетания и одновременной транспортировки горячих жидкостей, твердых частиц и газов. Недостаток указанного насоса суспензионного реактора заключается в его сложной конструкции, больших габаритах и энергопотреблении привода, составляющем в среднем 120 кВт.
В WO 2016/116484 A1 приведено описание устройства для каталитической атмосферной перегонки нефтяного сырья, в котором предусматривается использование поступающего материала с длиной кромки, составляющей <40 мм. Недостаток указанного способа заключается в том, что в этом устройстве также используется аналогичный высокопроизводительный камерный смеситель, описание которого приведено в контексте вышеуказанного способа.
Недостатки всех выше указанных способов заключаются в следующем: сложность трубопроводной системы между сепаратором и высокопроизводительным смесителем, необходимость создания теплоизоляции трубопроводов, большие габариты, вес и сложная конструкция уплотнений. Другими недостатками являются размер подлежащих измельчению фракций и загрязненность смеси металлами, стеклом и камнями.
Другой недостаток выше указанного способа заключается в том, что для высокопроизводительного камерного смесителя требуется сложное уплотнительное устройство ввиду сложной конструкции смесителя, при этом эксплуатация смесителя допускается при незначительном избыточном давлении, составляющем максимально 2 бара.
Таким образом, цель настоящего изобретения заключается в создании устройства, обеспечивающего перекачку смеси жидкого материала и измельчение твердых частиц, содержащихся в смеси материала.
Цель настоящего изобретения достигается с помощью  насосного и измельчительного устройства вышеуказанного типа, при этом, по меньшей мере, один погружной насос снабжен рабочим колесом, размещенным в корпусе погружного насоса, при этом корпус погружного насоса снабжен впускным патрубком, предназначенным для всасывания поступающего материала в  погружной насос, и при этом инструменты размещены на внутренней стороне корпуса погружного насоса и (или) на рабочем колесе таким образом, чтобы обеспечивалось измельчение инструментами твердых частиц, содержащихся в поступающем материале.
Преимущество насосного и измельчительного устройства заключается в том, что погружной насос обеспечивает циркуляцию поступающего материала в закрытом, изотермическом резервуаре, при этом отсутствует необходимость в дополнительной трубопроводной системе для транспортировки поступающего материала из резервуара в погружной насос и обратно.
За счет исключения из конструкции дополнительной трубопроводной системы, соединенной с впуском и выпуском погружного насоса, и при создание определенной скорости потока в резервуаре предотвращается накопление материала и закоксовывание как в резервуаре, так и в погружном насосе.
Устройство обеспечивает высокоэффективное заполнение установки жидкой смесью в достаточно малом пространстве при низкой стоимости приобретения оборудования, технического обслуживания и при низких энергетических затратах, при этом твердые частицы, содержащиеся в поступающем материале, измельчаются одновременно с помощью используемых инструментов, и исключаются потери на выходе продукта, связанные с измельчением продукта внешними устройствами и подводом тепла к смеси извне.
Предпочтительно, чтобы самозаливающийся погружной насос, снабженный рабочим колесом, использовался в закрытом резервуаре. Крыльчатка, заключенная в кольцеобразный или трубчатый корпус погружного насоса, может быть использована в качестве рабочего колеса.
Установка рабочего колеса в корпусе насоса может быть центрической или эксцентрической.
С помощью насосного и измельчительного устройства осуществляется нагрев поступающего материала от температуры наружной среды до приблизительно 400 °C, и твердые частицы, увлекаемые потоком жидкой смеси исходного материала, измельчаются путем резания, сжатия и перетирания, при этом исключается разрушение или засорение (погружного) насоса.
Поступающий материал может состоять из неорганических, а также (углеводородных) твердых частиц с длиной кромки ≤40 мм, и жидкостей, таких как масла.
Измельчение твердых частиц в жидкой смеси поступающего материала достигается за счет использования специальных, износоустойчивых и легко взаимозаменяемых инструментов, размещаемых в корпусе погружного насоса.
Поступающий материал, корпус насоса и взаимозаменяемые инструменты, установленные в корпусе, нагреваются от трения.
Поток материала, нагнетаемый насосом в резервуар, обеспечивает непосредственный подвод тепловой энергии к среде без тепловых потерь.
Инструменты предпочтительно являются плоскими или зазубренными и выступают во внутреннее пространство корпуса погружного насоса. Инструменты удерживаются компрессионными фитингами. Кроме того, фиксируемые инструменты могут быть легко установлены на рабочем колесе.
Предпочтительно, чтобы указанные поверхности имели шероховатую поверхность и (или) структуру после установки на них отдельных фиксируемых инструментов. Шероховатые или структурированные поверхности создают трение и обеспечивают измельчение, что приводит к нагреву поступающего материала.
Предпочтительно, чтобы инструменты были размещены взаимозаменяемо на внутренней стороне корпуса погружного насоса. Это обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что подходящие инструменты могут быть установлены для каждого вида поступающего материала, и изношенные инструменты могут быть оперативно заменены.
Кроме того, за счет выбора инструмента, имеющего поверхность с низким коэффициентом трения или поверхность с высоким коэффициентом трения, обеспечивается изменение силы трения между инструментом, рабочим колесом и смесью, в свою очередь, обуславливающая степень измельчения, а также нагрева поступающего материала.
Предпочтительно, чтобы нагнетательное отверстие было размещено у отверстия корпуса погружного насоса, и чтобы сопло Вентури было размещено в нагнетательном отверстии, при размещении сопла Вентури в нагнетательном отверстии обеспечивается придание поступающему материалу дополнительного вращательного движения.
Предпочтительно, чтобы клапан или задвижка были размещены на выходе выпускного отверстия.
Производительность погружного насоса, а также эффективность измельчения можно регулировать за счет конструкции корпуса насоса с используемыми в нем инструментами, конструкции сопла Вентури и клапана/задвижки.
Предпочтительно, чтобы привод был размещен снаружи резервуара. Предпочтительно, чтобы не только привод (двигатель), но также и подшипники погружного насоса были герметично размещены за пределами внутреннего пространства резервуара во избежание контакта с поступающим материалом.
Подшипники и уплотнения не контактируют со средой ввиду того, что подшипники и уплотнения установлены снаружи резервуара с приводом.
Цель настоящего изобретения также достигается за счет использования насосного и измельчительного устройства в качестве смесительного реактора или в смесительном реакторе в процессе каталитической атмосферной перегонки углеводородсодержащего поступающего материала. Аналогичный способ для каталитической атмосферной перегонки нефтяного сырья описан, в частности, в WO 2016/116484 A1.
Преимущество насосного и измельчительного устройства заключается в том, что их конструкции исключается трубопроводная система от резервуара к насосу и от насоса к резервуару.
Цель настоящего изобретения также достигается с помощью вышеупомянутого способа, при котором поступающий материал нагнетается через всасывающее отверстие, расположенное в нижней части погружного насоса, измельчается и нагревается от трения, создаваемого инструментами, размещенными на внутренней стенке корпуса погружного насоса и/или на рабочем колесе. Таким образом, тепло, выделяемое в процессе измельчения, передается несущей среде и поступающему материалу (исходному материалу) без тепловых потерь.
Способ в соответствии с настоящим изобретением представляет собой способ механического влажного измельчения и нагрева поступающего материала, при котором в самозаливающемся погружном насосе специальные инструменты установлены взаимозаменяемо во внутреннем пространстве корпуса погружного насоса и/или на рабочем колесе, и  рабочее колесо обеспечивает измельчение, вихревое вращение и сжатие поступающего материала во внутреннем пространстве корпуса насоса за счет вращения, при этом образующееся тепло передается непосредственно поступающему материалу.
С помощью указанного способа большая часть подводимой энергии преобразуется в энергию смешивания и трения.
Предпочтительно, чтобы погружной насос нагнетал поступающий материал из резервуара, который заполнен поступающим материалом и в котором размещен погружной насос.
Кроме того, цель настоящего изобретения достигается за счет использования способа для измельчения и нагрева твердых частиц поступающего материала в погружном насосе в системе для каталитической атмосферной перегонки углеводородсодержащего поступающего материала. Аналогичный способ для каталитической атмосферной перегонки описан, в частности, в WO 2016/116484 A1.
Другие элементы, признаки и преимущества вариантов осуществления настоящего изобретение очевидны из следующего ниже его описания с иллюстративными примерами осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
ФИГ. 1 - вид насосного и измельчительного устройства в соответствии с настоящим изобретением в поперечном сечении,
ФИГ. 2 - блок-схема погружного насоса с рабочим колесом,
ФИГ. 3 - вид погружного насоса в поперечном сечении,
ФИГ. 4 - вид погружного насоса с закрытым рабочим колесом в поперечном сечении, и
ФИГ. 5 - вид простого рабочего колеса и подходящего крепления инструмента в поперечном сечении.
На ФИГ. 1 проиллюстрировано насосное и измельчительное устройство 1, размещенное в закрытом резервуаре 2, снабженное погружным насосом 3 и приводом 4, предназначенным для приведения в действие погружного насоса 3.
Резервуар 2 насосного и измельчительного устройства 1, проиллюстрированного на ФИГ. 1, частично заполнен поступающим материалом 5. Погружной насос расположен ниже уровня жидкости 6 таким образом, чтобы обеспечивалась подача потока поступающего материала 5 в насос через всасывающее отверстие 7. Рабочее колесо 9, предназначенное для направления поступающего материала 5 в сторону инструментов 10, размещенных на внутренней стенке 11 корпуса 8 погружного насоса,  расположено в корпусе 8 погружного насоса 3. Твердые частицы, увлекаемые потоком поступающего материала 5, механически измельчаются, перемешиваются вращательным движением потока, истираются до образования тонкодисперсных частиц, уплотняются и нагреваются за счет вращательного движения рабочего колеса 9 и инструментов 10. Выделяемое тепло передается без потерь жидкой смеси.
Погружной насос 3 снабжен боковым отверстием 12, через которое поступающий материал 5 нагнетают в нагнетательное отверстие 13, в котором размещено сопло Вентури 14. Выход нагнетательного отверстия 13 снабжен клапаном 15 или задвижкой. Клапан 15 и задвижка могут быть использованы для повышения или понижения давления в погружном насосе 3.
Температуру смеси можно повышать или понижать путем регулирования давления клапаном 15 или задвижкой. При закрытом клапане 15 или закрытой задвижке давление в корпусе 8 погружного насоса и, следовательно, температура повышаются. При открывании клапана 15 или задвижки обеспечивается понижение давления, а также температуры в корпусе 8 погружного насоса.
Время пребывания поступающего материала 5 в корпусе 8 погружного насоса также может быть сокращено или продлено за счет использования клапана 15 и задвижки.
Привод 4 (насоса) и подшипник 16 погружного насоса 3 размещены за пределами внутреннего пространства резервуара, за счет чего исключается контакт с поступающим материалом 5 и обеспечивается герметичность внутреннего пространства 17 резервуара с помощью уплотнения 21.
Незагрязненный или загрязненный смешанный поступающий материал 5, такой как органические и неорганические соединения (древесина, кости, пластик, а также стекло, керамика, металл и т.д.) с длиной кромки ≤ 40 мм, подают в резервуар 2 через клапан 18 и обрабатывают насосом. Кроме того, клапан 18 (например, трехходовой клапан) используется для перепуска пара 19 в атмосферу.
Дополнительный клапан 20 для опорожнения резервуара 2 расположен на нижней стороне резервуара 2.
Органические смеси могут быть обработаны до размера частиц ≤ 80 мкм в зависимости от степени загрязнения и/или времени пребывания в резервуаре 2 и в погружном насосе 3.
На ФИГ. 2 и 3 представлен погружной насос 3, выполненный в виде самозаливающегося насоса насосного и измельчительного устройства 1 для механического влажного измельчения и для нагрева поступающего материала 5.
Погружной насос 3 представляет собой насосное колесо, размещенное эксцентрически в корпусе 8 погружного насоса с соосно расположенным всасывающим отверстием 7, с радиально расположенным нагнетательным отверстием 13, клапаном 15 или задвижкой и встроенным соплом Вентури 14.
На внутренней части корпуса погружного насоса 3 и/или на рабочем колесе 9 прикреплены в ряд различные инструменты 10, имеющие различные размеры и формы таким образом, чтобы обеспечивалось измельчение и одновременный нагрев поступающего материала 5, содержащего нефть и другие материалы. Поступающий материал 5 циркулирует в закрытом резервуаре 2, нагнетаемый погружным насосом 3 через встроенное сопло Вентури 14 в нагнетательном отверстии 13 и клапан 15 или задвижку на выходе нагнетательного отверстия.
Сопло Вентури 14 создает турбулентное течение в нагнетательном отверстии 13, в котором происходит смешивание поступающего материала 5.
В зависимости от необходимости, в резервуаре 2 могут быть размещены и использованы один или более погружных насосов 3.
Насосное и измельчительное устройство 1 и способ измельчения и нагрева поступающего материала 5 позволяют использовать без каких-либо проблем поступающий материал 5, содержащий углеводородные остатки отходов сельского и лесного хозяйств или загрязненные бытовые и (или) промышленные отходы, включающие крупные фракции камней, стекла или металлов размером 40 мм, подаваемые в устройство с нефтью или другими жидкостями.
На ФИГ. 4 и 5 проиллюстрирован вид в поперечном сечении погружного насоса 3 в соответствии с настоящим изобретением.
В верхней части ФИГ. 4 проиллюстрирован погружной насос 3 с закрытым рабочим колесом 9 в поперечном сечении, и в нижней части ФИГ. 4 показан разрез по линии A-A через погружной насос 3 с задвижкой 24, проиллюстрированный в верхней части ФИГ. 4.
Закрытое рабочее колесо 9 расположено в корпусе 8 погружного насоса и приводится в действие приводом 4 (двигатель), не проиллюстрированным на ФИГ. 4, с помощью вала привода 22.
В поперечном сечении, проиллюстрированном в нижней части ФИГ. 4 по линии A-A через погружной насос 3, показаны инструменты 10, размещенные на внутренней стороне корпуса 8 погружного насоса и на рабочем колесе 23. Способы крепления инструментов 10 могут варьироваться, в результате чего инструменты 10 могут быть прикреплены либо с помощью зажимных устройств (инструменты 10-1, 10-III, 10-IV), либо свинчены вместе (инструменты 10-II, 10-V).
Как проиллюстрировано на ФИГ. 4 (верхняя часть), инструменты 10-IV и 10-V расположены внутри закрытого рабочего колеса 9 (или рабочего колеса 23, соответственно). Инструменты 10-I, 10-II и 10-III прикреплены на наружной стороне корпуса 8 погружного насоса, или на внутренней стенке корпуса 8 погружного насоса.
Инструменты 10 выполнены из твердого, абразивостойкого материала, такого как металл, и имеют форму, позволяющую им образовывать неравномерные выступы на внутренней стороне корпуса 8 погружного насоса в направлении рабочего колеса 9, и (или) от рабочего колеса 9 в направлении внутренней стенки корпуса 8 погружного насоса таким образом, чтобы обеспечивалось размалывание подлежащего измельчению материала, находящегося во внутреннем пространстве 11 погружного насоса 3, между инструментами 10 и, следовательно, его измельчение.
На ФИГ. 5 проиллюстрировано поперечное сечение погружного насоса 3 с простым рабочим колесом 9.
Стрелка, проиллюстрированная на ФИГ. 4 и 5, указывает на направление вращения рабочего колеса 9.
СПИСОК ПОЗИЦИЙ
1 насосное и измельчительное устройство
2 резервуар
3 погружной насос
4 привод, привод насоса (двигатель)
5 поступающий материал
6 уровень жидкости
7 всасывающее отверстие, впускное отверстие
8 корпус погружного насоса
9 рабочее колесо
10 инструмент
10-I Инструмент I (зажимное крепление)
10-II Инструмент II (винтовое крепление)
10-III Инструмент III (зажимное крепление)
10-IV Инструмент IV (зажимное крепление)
10-V Инструмент V (винтовое крепление)
11 внутреннее пространство (погружного насоса 3)
12 отверстие
13 нагнетательное отверстие
14 сопло Вентури
15 клапан
16 подшипник
17 внутреннее пространство резервуара
18 клапан
19 пар
20 клапан
21 уплотнение (вала)
22 вал привода
23 рабочее колесо
24 задвижка.