СПОСОБ ОЧИСТКИ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ
LIQUID HYDROCARBON PURIFICATION METHOD

Изобретение относится к области очистки жидких углеводородов и может быть использовано в энергетике, нефтяной, авиационной, автомобильной, электротехнической, пищевой, микробиологической и медицинской промышленности для разделения, очистки и регенерации углеводородных жидкостей минерального и растительного происхождения и, в частности, нефти и нефтепродуктов - масел, топлив и гидравлических жидкостей.
Известен способ (1) очистки жидких углеводородов, заключающийся в тангенциальном отделении механических примесей и воды при движении по внутренним объемам пористых гидрофобных трубок и последующей доочистке на коалесцирующих и сорбирующих фильтрах. Однако при его реализации необходимы дополнительные энергозатраты для подготовки жидкой среды (при нагревании часть эмульгированной воды переходит в растворенное состояние), а также для отделения накопленной воды из объемов сорбирующих фильтров и подохлаждения фильтрата, при этом эффективность разделения резко падает при накоплении механических примесей и воды в объемах последних.
Известен способ (2) очистки жидких углеводородов, заключающийся в отделении механических примесей на фильтрующей перегородке, укрупнении микрокапель при прохождении среды через коагулирующую перегородку с последующим их отрывом от ее поверхности под действием сил тяжести, отделении нескоагулировавшихся микрокапель воды на поверхности водоотталкивающей перегородки, последующем осаждении скоагулировавшихся капель в отстойнике. При этом используется только кинетическая энергия потока очищаемой среды и отсутствует необходимость в использовании какой-либо механической или электрической энергии. Однако при осуществлении способа относительно невелик ресурс фильтрующей перегородки, велика трудоемкость замены выработавших свой ресурс водоотделяющих и фильтрующих элементов, а также резко снижается эффективность водоотделения при повышении вязкости углеводородных жидкостей, кроме того, эффективность очистки существенно зависит от конструктивных параметров коагулирующей и водоотделяющей перегородок, а также гидродинамических характеристик потока жидкой среды.
Известен способ (3) очистки жидких углеводородов, принятый за ближайший аналог, заключающийся в том, что отделение и коагуляция осуществляются в тангенциальном режиме на сепарирующих и коагулирующих металлических пористых перегородках фильтра, выполненных в виде сэндвича из нескольких коаксиальных цилиндрических поверхностей из высокопористого ячеистого металла (ВПЯМ), при этом при отделении по внешней образующей наружной пористой перегородки с нанесенным гидрофобным фторопластовым покрытием основная часть механических примесей и воды размером больше номинального размера пор турбулентным потоком постоянно выносится в разделитель, который связан с линией подачи исходного продукта, собранный в виде двух сообщающихся коаксиальных обечаек, с установленным, с увеличивающимся размером пор по ходу потока набором круглых металлических пористых перегородок из ВПЯМ для коагуляции микрокапель, на перфорированном дне стакана в верхней части внутренней обечайки, концентрации и сгущении загрязнений при седиментации в объеме последней, дальнейшем разделении на гидрофобной сетке, установленной в коаксиальном зазоре нижней части обечаек, подаче отстоя на вход насоса. Очистка тангенциального потока жидкой среды осуществляется при коагуляции микрокапель воды на последующих цилиндрических металлических пористых перегородках из ВПЯМ фильтра, выполненных с увеличивающимся размером пор по ходу потока, отделении прошедших микрокапель воды на гидрофобной, с горизонтальными и вертикальными дренажными окнами - проточками, внутренней поверхности последней металлической пористой перегородки со сбором и осаждением их в коллекторе, при этом с фильтра выводят очищенные углеводороды, а регенерацию фильтра осуществляют обратным потоком очищенной среды. Однако значительные гидравлические сопротивления по тракту очистки особенно при обработке вязких сред резко снижают производительность при фильтрации и, как следствие, невозможность тонкой фильтрации, что снижает эффективность процесса.
Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является улучшение функционирования и повышение эффективности при очистке и регенерации углеводородных жидких сред, в частности нефти и нефтепродуктов - масел, топлив и гидравлических жидкостей.
Это достигается тем, что согласно изобретению осуществляют предварительное отделение и коагуляцию на металлической пористой перегородке предфильтра при подкрутке потока сплошной среды по спиральным направляющим, выполненным из диэлектрика и установленным в зазоре между его пластмассовым корпусом и металлической пористой перегородкой, и действии электрического поля при наведении статического заряда на внутренней поверхности корпуса с индуцированием заряда противоположного знака на наружной поверхности металлической пористой перегородки, тангенциальной подаче потока с основной массой механических примесей и воды размером больше номинального размера пор предфильтра в стакан разделителя, с закруткой потока между его внутренней стенкой, армированной пенометаллом (ВПЯМ) с коагулирующими свойствами, и профилированной направляющей из пластмассы, закрепленной на пилонах из диэлектрика в верхней части стакана с наведением электрического поля в зазоре между последними, транспортируют отстой обратно на вход насоса, а фильтрат дополнительным насосом подают для разделения на пористой перегородке фильтра с коалесцирующими свойствами из полимера пространственно-глобулярной структуры (ПГС) полимера, при этом оставшаяся часть механических примесей размером больше номинального размера пор фильтра постоянно выносится турбулентным потоком в разделитель, подохлаждают очищенный фильтрат в теплообменнике с последующим удалением водяного тумана на фильтре тонкой очистки из ПГС полимера.
На фиг.1 представлена схема реализации способа.
Устройство содержит приемочный бак 1, связанный трубопроводом 2 с насосом 3. Выход насоса 3 соединен трубопроводом 4 с предфильтром 5, корпус которого выполнен из пластмассы - капролона или полипропилена. Один из выходов предфильтра 5 связан трубопроводом 7 с краном 8 с внутренним объемом разделителя 9 его стаканом 10. Вход трубопровода 7 в верхнюю часть стакана 10 снабжен сужающим устройством 11 для ускорения потока и обеспечения его закрутки при отражении от стенки 12 стакана 10, армированной пенометаллом ВПЯМ 13 на основе медноникелевого сплава с коалесцирующими свойствами, и течения с ускорением в сужающемся зазоре 54 между профилированной направляющей 14 из пластмассы - капролона, укрепленный на пилонах 15, и последним 12 фиг.1. Верхняя часть внешней обечайки разделителя 9 соединена трубопроводом 16 с краном 17 с входом насоса 3, а в нижней ее части имеется патрубок с краном 18 для эвакуации концентрата и слива воды. Второй выход предфильтра 5 трубопроводом 19 с краном 20 связан с дополнительным насосом 21, который трубопроводом 22 соединен с входом фильтра 23 с пористой перегородкой из ПГС полимера на основе мочевино-формальдегидной смолы с коалесцирующими свойствами. Один выход фильтра 23 трубопроводом 24 с краном 25 врезан в подводящую магистраль - трубопровод 7 разделителя 9. Второй выход фильтра 23 трубопроводом 26 с краном 27 связан с подохлаждающим теплообменником 28 и далее трубопроводом 29 с фильтром тонкой очистки 30 из ПГС полимера для удаления водяного тумана, при этом выход последнего 30 трубопроводом 31 с краном 32 соединен со сборным баком 33. Сборный бак 33 трубопроводами 34, 35 через краны 36, 37 соединен с насосом 38 для подачи очищенной среды при регенерации обратным током предфильтра 5, фильтра 23 и фильтра тонкой очистки 30. Насосы 3 и 21 снабжены байпасными трубопроводами и кранами 39, 40 и соответственно 41. Предфильтр 5, фильтр 23 и фильтр тонкой очистки 30 в нижней своей части снабжены патрубками с кранами 42, 43 и 44 для удаления загрязнений - воды и механических частиц при регенерации. Разделитель 9, связанный с линией подачи исходной среды, выполнен из двух сообщающихся в нижней части коаксиальных обечаек 45 и 46, в верхней части внутренней обечайки размещен стакан 10, внутренняя стенка 13 которого армирована пенометаллом (ВПЯМ), а на его перфорированном дне установлен набор круглых металлических пористых перегородок 47 из ВПЯМ с увеличивающимся размером пор по ходу потока, а в коаксиальном зазоре 49 в нижней части обечаек 45, 46 размещена гидрофобная сетка 50 для отделения нескоагулированных микрокапель воды. В зазоре 52 между пластмассовой стенкой корпуса предфильтра 5 и металлической пористой перегородкой 51 (фиг.3) установлены спиральные образующие 53 из диэлектрика. При закрутке турбулентного потока в зазоре 52, помимо действия центробежных сил, наводится электрическое поле, пропорциональное скорости потока, что обуславливает дополнительную очистку среды от механических примесей и воды.
Способ осуществляется следующим образом.
Жидкие углеводороды, в частности нефть или нефтепродукты, из приемочного бака 1 через трубопровод 2 насосом 3 подаются по трубопроводу 4 на предфильтр 5, где происходит предварительная очистка от основной массы механических частиц и воды при закрутке потока по спиральным образующим 53 из диэлектрика и действии электрического поля, при этом часть потока с основным объемом загрязнений - механических частиц и капель воды размером больше номинального размера пор постоянно подается в сужающее устройство 11 в верхней части стакана 10 разделителя 9, для ускорения потока и обеспечения его закрутки при отражении от стенки 12, армированной ВПЯМ 13 с коалесцирующими свойствами и течения с ускорением в сужающемся зазоре 54 между профилированной направляющей 14 из пластмассы и последней 12. Действие центробежных сил, а также индуцированное электрическое поле ускоряет коагуляцию и разделение механических примесей и воды. Дальнейшая коагуляция капелек воды происходит на наборе круглых металлических пористых перегородок 47 из ВПЯМ с увеличивающимся размером пор по ходу пор по ходу потока, установленного на перфорированном дне стакана 10 в верхней части внутренней обечайки 45. Во внутреннем объеме обечайки 45 при седиментации в поле сил тяжести происходит концентрирование и сгущение загрязнений, а нескоагулированные микрокапли воды отделяются на гидрофобной сетке 50, установленной в коаксиальном зазоре в нижней части обечаек 45, 46. Отстой подается на вход насоса 3. Дополнительным насосом 21 фильтрат подается по продольной образующей пористой перегородки с коалесцирующими свойствами из ПГС полимера фильтра 23, при этом оставшаяся часть механических примесей и воды размером больше номинального размера пор турбулентным потоком постоянно выносится в разделитель 9. Очищенный фильтрат подохлаждается в теплообменнике 28 и подается для удаления водяного тумана на фильтр тонкой очистки 30 из ПГС полимера.
Для регенерации предфильтра 5, фильтра 23 и фильтра тонкой очистки 30 закрываются краны 40, 8, 18, 25, 32, открываются краны 36, 37, последовательно открываются краны 42, 43,44 и насосом 38 чистая среда из сборного бака 33 обратным током подается на выход предфильтра 5, фильтра 23 и фильтра тонкой очистки 30, накопленные механические частицы таким образом удаляются с пористых поверхностей перегородок предфильтра 5, фильтра 23 и фильтра тонкой очистки 30, после их промывки закрываются краны 36, 37, 42, 43, 44 и открываются краны 40, 8, 18, 25, 32, подача чистой среды насосом 38 прекращается, устройство готово к работе.
Таким образом, использование предлагаемого способа за счет многоступенчатого отделения основного объема механических частиц и эмульгированной воды в индуцированном электрическом поле из турбулентного закрученного потока жидкой среды при кольцевании последнего и дальнейшей доочистке уже менее загрязненного потока позволяет существенно увеличить межрегенерационный период работы фильтров, уменьшить трудоемкость обслуживания, существенно снизить энергозатраты и повысить эффективность очистки жидких углеводородных сред.
Пример.
2
2
2
Для оценки реализации заявленного способа очистки жидких углеводородов использовались образцы отработанного трансформаторного масла ТК ГОСТ 982-85, слитого с выключателя на подстанции. В товарных трансформаторных маслах основными компонентами являются жидкие нафтеновые углеводороды. Перед испытанием трансформаторного масла была проведена отмывка фильтрующих элементов с последующей отдувкой сжатым сухим воздухом и осушкой под вакуумом. Масло прокачивалось насосом через предфильтр, где при закрутке потока по спиральным образующим из диэлектрика, возникающих центробежных сил и действии электрического поля при наведении электростатического заряда с плотностью 5…8 мкКул/м (микроКулон на м) на внутренней поверхности предфильтра, выполненного из пластмассы (капролона или полипропилена), отделялся в тангенциальном режиме основной объем загрязнений - механических частиц, а также микрокапель воды на металлической пористой перегородке из ВПЯМ (пористость до 96%) на основе медно-никелевого сплава (марка ВПЯМ-МН ТУ 1733-011-03847211-97), который с одного из выходов предфильтра подавался через сужающее устройство в стакан разделителя. При этом поток среды также закручивался, дополнительно наводился на поверхности стакана электростатический заряд, плотность которого возрастала до 40…60 мкКул/м, что с учетом действия центробежных сил, также способствовало разделению среды при одновременном возрастании плотности заряда во внутреннем объеме разделителя. Предварительное «кольцевание» потока сплошной среды позволяет повысить плотность объемного заряда в 10 раз и более (в зависимости от времени экспозиции), что при последующей подаче отстоя на смешение при тангенциальном разделении на предфильтре обеспечивает возрастание электростатического воздействия. Очищенный на предфильтре фильтрат доочищается в тангенциальном режиме на фильтре с пористой перегородкой с коалесцирующими свойствами из ПГС полимера (эффективная пористость 0,1…0,5 мкм, выполнен по ТУ 3697-001-48981941-99 на основе мочевино-формальдегидных смол). При этом механические частицы и капельки воды размером больше эффективной пористости перегородки из ПГС полимера постоянно выносятся в разделитель, где эффективно отделяются при коагуляции и седиментации. А доочищенный фильтрат подохлаждается в «воздушном» теплообменнике и освобождается от водяного «тумана» на фильтре тонкой очистки из ПГС полимера (выполнен на основе мочевино-формальдегидных смол, эффективная пористость 0,05…0,1 мкм). При этом содержание свободной воды уменьшается на 35% (с 0,012% до 0,008% соответственно на входе и выходе фильтра тонкой очистки, за счет отделения водяного тумана). Определение влагосодержания проводилось по методу Фишера, погрешность измерения которого составляет 1 мг/л или 0,0001%. После однократной перекачки проведена оценка массового содержания в масле механических частиц и свободной воды. Результаты приведены в таблице.
Результаты очистки отработанной трансформаторного масла
Вариант фильтрования
Показатели содержания мех. частиц, мас.%
Показатели содержания
свободной воды, мас.%
До очистки
После очистки
До очистки
После очистки
Один цикл
2,3
0,015
4,25
0,008
Следовательно, использование предложенного способа дает возможность обеспечить значительную очистку жидких углеводородов, например масел, от механических частиц и свободной воды.
Источники информации
1. Патент №2135256, кл. С1, РФ, 1999 г.
2. В.Г.Коваленко, В.В.Середа. Автомобильные транспортно-заправочные средства для нефтяных и газовых топлив. - М.: ООО «Владмар», 2005, гл. 10.
3. Патент №2368643, кл. С2, РФ, 2007 г.