УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДАЛЕНИЯ ПРИМЕСЕЙ ИЗ ПОТОКА ФЛЮИДА
APPARATUS FOR REMOVING IMPURITIES FROM FLUID STREAM

Настоящее изобретение относится к устройствам для удаления примесей из потока флюида, например, потока жидкости, такой как вода.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Существует потребность в устройстве для сепарации взвешенных материалов из потока флюида, надежном, обладающем простой конструкцией, высокой пропускной способностью и легко транспортируемом. Такое устройство особенно желательно для обеспечения чистой воды в полевых условиях и, в частности, в ситуациях ликвидации последствий стихийных бедствий или для сепарации нефти от воды в случаях разлива нефти, или при удалении материалов частиц из жидкостей, получаемых при гидроразрыве пласта.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройство настоящего изобретения использует центробежную сепарацию для сепарации взвешенных материалов из флюида.
Соответственно, в первом аспекте, изобретение предоставляет устройство для сепарации материалов, взвешенных в потоке флюида; содержащее:
несущую конструкцию;
сепараторный узел, вращательно закрепленный на несущей конструкции;
устройство для вращения сепараторного узла на несущей конструкции;
сепараторный узел, имеющий продольную ось вращения, пролегающую через продольную трубу, расположенную внутри сепараторного узла; при этом продольная труба соединена или выполнена с возможностью соединения с источником находящегося под давлением флюида, нуждающегося в сепарации; при этом продольная труба содержит одно или более отверстий для приема флюида под давлением из указанного источника и одно или более боковых отверстий для ввода флюида в сепараторный узел; причем сепараторный узел содержит, дополнительно к продольной трубе:
(аа) камеру центробежной сепарации для сепарации взвешенного материала из потока флюида; и
(bb) коллектор для сбора либо (i) взвешенного материала, выделенного из потока флюида; либо (ii) флюида, из которого был удален по меньшей мере некоторый взвешенный материал.
Сепараторный узел обычно содержит гидравлически связанные между собой первую и вторую камеры, причем первая камера выполнена выше по потоку от второй камеры и функционирует как камера центробежной сепарации.
Первая и вторая камеры могут быть гидравлически связаны друг с другом посредством отверстий в общей перегородке между обеими камерами.
Обычно сепаратор выполнен с первым и вторым патрубками, через которые могут проходить разделенные компоненты потока флюида. Таким образом, взвешенный материал, выделенный из потока флюида, может выходить через один патрубок, а поток флюида, из которого удален взвешенный материал, может выходить через другой патрубок.
В одном общем варианте реализации изобретения камера центробежной сепарации гидравлически связана с первым патрубком, а вторая камера гидравлически связана и выполнена выше по потоку от второго патрубка.
Коллектор может быть соединен с первым патрубком или со вторым патрубком.
В одном из вариантов реализации изобретения коллектор соединен с первым патрубком, причем первый патрубок является патрубком камеры центробежной сепарации.
В другом варианте реализации изобретения коллектор соединен со вторым патрубком, причем второй патрубок располагается ниже по потоку от второй камеры.
В дополнительном варианте реализации изобретения каждый из первого и второго патрубков содержит свой собственный присоединенный коллектор.
Один или каждый коллектор обычно стационарны, то есть закреплены невращательно на несущей конструкции и не вращаются с сепаратором.
В одном конкретном варианте реализации изобретения коллектор располагается радиально наружу от сепаратора и соединен с камерой центробежной сепарации.
Камера центробежной сепарации преимущественно обеспечивается по меньшей мере одной перегородкой, расположенной вблизи боковых отверстий в продольной трубе для направления потока флюида в радиальном направлении наружу.
Поскольку первая и вторая камеры гидравлически связаны друг с другом посредством отверстий в общей перегородке между двумя камерами, перегородка(и), расположенная(ые) в линию между боковыми отверстиями в продольной трубе и указанными отверстиями в общей перегородке, препятствует(ют) попаданию флюида напрямую во вторую камеру.
Перегородка может принимать форму перегородки, пролегающей радиально наружу из продольной трубы, и при этом перегородка служит для разделения камеры центробежной сепарации на расположенную выше по потоку подкамеру и расположенную ниже по потоку подкамеру, причем зазор между радиально внешним торцом перегородки и противоположной поверхностью камеры центробежной сепарации допускает протекание потока флюида между расположенной выше по потоку и расположенной ниже по потоку подкамерами.
Сепаратор может содержать барабан, расположенный вокруг (то есть, охватывая) продольной трубы, при этом барабан содержит пару торцевых стенок и цилиндрическую внешнюю стенку, и одну или более внутренних стенок, разделяющих внутреннее пространство барабана на первую и вторую камеры и опционально на одну или более дополнительных камер.
Одна или более внутренних стенок могут быть продольно пролегающими стенками или радиально пролегающими стенками или комбинацией продольно и радиально пролегающих стенок.
В одном из вариантов реализации изобретения предусмотрена радиально пролегающая внутренняя стенка, которая разделяет первую и вторую камеры. Радиально пролегающая стенка может быть зафиксирована или может быть выполнена с возможностью движения назад и вперед в продольном направлении.
Для вращения сепараторного узла на несущей конструкции предусматриваются устройства для вращения сепараторного узла. Устройства для вращения сепараторного узла на несущей конструкции могут содержать двигатель (например, электрический двигатель) и соответствующее механическое соединение между двигателем и сепараторным узлом. Механическое соединение может быть, например, приводным ремнем.
Вместо двигателя или дополнительно к нему сам поток флюида может использоваться для приведения в действие вращения сепаратора. Например, сепаратор может содержать набор лопастей или сопел и устройство для направления потока флюида или выхода флюида из сепаратора по лопастям или через сопла для образования турбины, приводящей в действие вращение сепаратора.
В одном из вариантов реализации изобретения выходной поток флюида, из которого посредством сепаратора был удален взвешенный материал, используется для привода турбины.
Лопасти могут располагаться внутри коллекторного устройства, чтобы очищенный или частично очищенный флюид, проходящий через коллектор, использовался для привода турбины.
В альтернативном варианте реализации изобретения поток флюида через сепаратор может быть разделен для того, чтобы часть использовалась для привода турбины, а оставшееся собиралось коллектором.
Сепаратор обычно выполняют для осуществления конкретного типа сепарации.
В одном из вариантов реализации изобретения сепаратор может быть выполнен с возможностью сепарации флюида из взвешенного материала, имеющего меньшую плотность, чем флюид. Например, сепаратор может быть выполнен с возможностью разделения нефти и воды в нефте-водной смеси.
Если сепаратор выполнен с возможностью сепарации флюида из взвешенного материала с меньшей плотностью, чем флюид, коллектор может быть расположен так, чтобы собирать отделенный флюид из камеры центробежной сепарации, посредством первого патрубка. В этом варианте реализации изобретения лопасти могут быть расположены внутри коллектора таким образом, чтобы образовывать турбину, приводимую в действие отделенным флюидом.
В другом варианте реализации изобретения сепаратор может быть выполнен с возможностью сепарации флюида из взвешенного материала, имеющего большую плотность, чем флюид. Например, сепаратор может быть выполнен с возможностью удаления материала частиц (например, осадочных и взвешенных твердых веществ) из флюида, такой как вода.
В этом варианте реализации изобретения камера центробежной сепарации может удалять частицы одного диапазона размеров, а вторая камера может содержать один или более фильтрующих элементов, которые удаляют частицы меньшего размера и/или другие примеси, которые могут присутствовать в потоке флюида.
Например, сепаратор может содержать:
(а) камеру центробежной сепарации для сепарации из потока флюида взвешенных твердых частиц из первого диапазона размеров;
(b-i) набор вторичных фильтров ниже по потоку от камеры центробежной сепарации для удаления примесей предварительно определенного типа из потока флюида;
(c) камеру разделения потока для отведения части флюида к группе сопел, причем сопла ориентируются под углом по отношению к продольной оси так, чтобы давление флюида, выталкиваемого через сопла, обеспечивало движущую силу для вращения фильтровальной установки; и
(d) коллектор для сбора очищенного флюида из фильтровальной установки.
Соответственно, в одном из вариантов реализации изобретения, изобретение предусматривает устройство для удаления примесей из потока флюида; причем устройство содержит фильтровальную установку, вращательно закрепленную на несущей конструкции, при этом фильтровальная установка имеет продольную ось вращения, пролегающую через продольную трубу, расположенную внутри фильтровальной установки; при этом продольная труба соединена или может быть соединена с источником находящегося под давлением флюида, нуждающегося в очистке; при этом продольная труба имеет одно или более отверстий для приема флюида под давлением из указанного источника и одно или более боковых отверстий для ввода флюида в фильтровальную установку; причем фильтровальная установка содержит, в дополнение к продольной трубе:
(а) камеру центробежной сепарации для сепарации из потока флюида взвешенных твердых частиц из первого диапазона размеров;
(b-i) набор вторичных фильтров ниже по потоку от камеры центробежной сепарации для удаления предварительно определенного типа примесей из потока флюида;
(c) камеру разделения потока для отведения части флюида к группе сопел, причем сопла ориентируются под углом по отношению к продольной оси так, чтобы давление флюида, выталкиваемого через сопла, обеспечивало движущую силу для вращения фильтровальной установки; и
(d) коллектор для сбора очищенного флюида из фильтровальной установки.
Таким образом, в этом варианте реализации изобретения, устройство может использоваться для удаления материалов грубых частиц из потока флюида (например, жидкости) и одной или более дополнительных ступеней для удаления материалов более мелких частиц и других загрязняющих веществ. Ступени фильтрования содержатся в фильтровальной установке, которая закреплена вращательно на несущей конструкции. Первичной движущей силой, приводящей во вращение фильтровальную установку, создавая, таким образом, центробежную силу, необходимую для центробежного сепаратора, является давление флюида, нуждающегося в очистке. В соответствии с изобретением, поток жидкости через устройство разделяется так, чтобы часть флюида проходила через различные фильтровальные устройства, составляющие указанное устройство, а часть флюида выводилась через набор установленных под углом сопел, выпускающих струи флюида для приведения в действие вращения фильтровальной установки.
Фильтровальная установка преимущественно также содержит (b-ii) набор третичных фильтров ниже по потоку от вторичных фильтров для удаления примесей, не удаленных камерой центробежной сепарации и вторичными фильтрами.
Флюид может быть жидкостью или газом, но, в одном конкретном варианте реализации изобретения, флюид является жидкостью.
Основным устройством фильтрации взвешенных материалов частиц из флюида является камера центробежной сепарации. Флюид, проходящий в фильтровальную установку посредством расположенной по центру продольной трубы, сначала направляется в камеру центробежной сепарации. Посредством центробежной силы из-за вращения фильтровальной установки материалы частиц определенного диапазона размеров будут двигаться радиально наружу и вступать в контакт с внешней стенкой камеры центробежной сепарации, где они, как правило, будут скапливаться, формируя осадок (например, шлам в случае частиц, увлекаемых флюидом), который затем может быть удален механически или промыванием. Размер частиц, удаляемых из потока флюида в камере центробежной сепарации, будет зависеть от скорости вращения фильтровальной установки и, соответственно, величины генерируемой центробежной силы.
Камера центробежной сепарации может содержать одну или более перегородок для направления флюида во внешние области камеры и способствовать центробежной сепарации.
Частично очищенный флюид из камеры центробежной сепарации направляется через набор вторичных фильтров ниже по потоку от камеры центробежной сепарации. Вторичные фильтры удаляют примеси предварительно определенного типа.
Вторичные фильтры могут состоять из фильтров одного типа или более чем одного типа. Например, вторичные фильтры могут выбираться из фильтров для удаления материалов частиц предварительно определенного диапазона размеров, фильтров для удаления частиц металлов или ионов из потока флюида, фильтров для удаления растворенных газов (например, хлора) и/или органических примесей и их комбинаций.
Вторичные фильтры могут включать фильтр для удаления частиц одного диапазона размеров или могут содержать несколько фильтров (например, два) для удаления частиц различных диапазонов размеров. Например, первый фильтр может удалять частицы размером 5 микрон или более, а второй фильтр ниже по потоку от первого фильтра может удалять частицы размером 1 микрон или более.
Фильтры для удаления металлов (например, тяжелых металлов) или ионов из потока флюида могут содержать ионообменные смолы. Такие ионообменные смолы хорошо известны.
Фильтры для удаления органических примесей и хлора могут содержать активированный углерод или активированный уголь. Опять-таки, подобные материалы хорошо известны и широко доступны.
В одном из вариантов реализации изобретения каждый путь потока флюида через вторичные фильтры может включать первый фильтр для фильтрации частиц одного диапазона размеров и один или более дополнительных фильтров для фильтрации частиц постепенно уменьшающихся размеров и/или удаления других примесей из флюида. В определенном варианте реализации изобретения вторичные фильтры могут включать, последовательно, первый фильтр для удаления частиц одного диапазона размеров (например, размером вплоть до 5 микрон), второй фильтр для удаления частиц в диапазоне меньших размеров (например, размером вплоть до 1 микрона) и третий фильтр, содержащий фильтрующее вещество для удаления органических химических примесей и хлора из потока флюида.
Набор (b-ii) третичных фильтров ниже по потоку от вторичных фильтров, если имеются, приспособлен для удаления примесей, не удаленных камерой центробежной сепарации и вторичными фильтрами.
Третичными фильтрами могут быть, например, мембранные фильтры обратного осмоса. Такие фильтры могут удалять растворенные соли, такие как поваренная соль и, таким образом, особенно полезны в опреснении потоков жидкостей.
Камера разделения потока отклоняет часть флюида к группе сопел, расположенных под углом по отношению к продольной оси так, чтобы давление флюида, выталкиваемого через сопла, обеспечивало движущую силу для вращения фильтровальной установки. Таким образом, движущая сила, приводящая во вращение фильтровальную установку, определяется или состоит в основном из давления флюида, нуждающегося в очистке. Камера разделения потока обычно располагается ниже по потоку от камеры центробежной сепарации. Она может, например, располагаться ниже по потоку от набора вторичных фильтров. Если присутствует набор третичных фильтров, камера разделения потока предпочтительно располагается выше по потоку от набора третичных фильтров.
Флюид, выходящий из сопел, может собираться обтекателем, зафиксированным относительно вращающейся фильтровальной установки. Обтекатель может подключаться к отходам или может подключаться к устройству для переработки по меньшей мере части флюида из сопел. Например, если камера разделения потока располагается ниже по потоку от набора вторичных фильтров, частично очищенный флюид, выходящий из сопел, может перерабатываться и смешиваться с неочищенным флюидом в устройстве или до попадания в устройство.
Обтекатель зафиксирован и обычно не вращается с фильтровальной установкой. Тем не менее, один или более движущихся сальников могут устанавливаться между фильтровальной установкой и обтекателем для предотвращения или уменьшения потерь флюида из-за утечек.
Если установлен набор третичных фильтров (b-ii), набор может располагаться радиально наружу от набора вторичных фильтров (b-i), так что создаются наборы вторичных и третичных фильтров. Наборы вторичных и третичных фильтров могут располагаться так, что центробежная сила, создаваемая вращением фильтровальной установки, способствует направлению флюида сквозь третичные фильтры.
Фильтровальная установка может содержать концентрические внутренний и внешний барабаны. Набор вторичных фильтров может располагаться во внутреннем барабане, а набор третичных фильтров может располагаться во внешнем барабане и радиально наружу от внутреннего барабана. Внутренний барабан может обладать более короткой продольной длиной, чем внешний барабан, и может целиком размещаться во внешнем барабане. Внешний и внутренний барабаны могут быть выполнены таким образом, что камера центробежной сепарации прилегает к концу внутреннего барабана выше по потоку, а камера разделения потока прилегает к концу внутреннего барабана ниже по потоку.
Фильтровальная установка может содержать множество радиально выступающих дисков, закрепленных на продольной трубе так, чтобы вращаться с ней, при этом по меньшей мере двое из дисков обладают большим диаметром и составляют торцевые стенки внешнего барабана. Диски большего размера могут также составлять одну или обе торцевые стенки внутреннего барабана. Однако предпочтительно, чтобы одна из торцевых стенок внутреннего барабана образовывалась диском меньшего диаметра. Один или более дополнительных дисков меньшего диаметра могут использоваться для разделения внутреннего пространства внутреннего барабана на отдельные камеры, каждая из которых может содержать набор вторичных фильтров. Гидравлическая связь между камерами осуществляется с помощью отверстий в дисках.
Радиально наружные поверхности внутреннего и внешнего барабанов обычно формируются трубами или трубообразными структурами, которые вращаются и соединены с дисками.
В одном из вариантов реализации изобретения фильтровальная установка содержит три диска большего диаметра и по меньшей мере один диск меньшего диаметра, причем камера центробежной сепарации располагается между первым и вторым дисками большего диаметра; при этом внутренний барабан, набор третичных фильтров и камера разделения потока располагаются между вторым и третьим дисками большего диаметра; набор третичных фильтров располагается радиально наружу от внутреннего барабана и, следовательно, концентрически по отношению к нему; а камера разделения потока прилегает к продольной торцевой стенке внутреннего барабана, образованной указанным по меньшей мере одним диском меньшего диаметра.
В этом варианте реализации изобретения одна продольная торцевая стенка внутреннего барабана формируется диском меньшего диаметра. Другая продольная торцевая стенка может формироваться вторым диском большего диаметра. Внутренний барабан может содержать один или более (например, два) дополнительных дисков меньшего диаметра, которые служат для разделения внутреннего пространства внутреннего барабана на отдельные камеры, каждая из которых может содержать различные наборы фильтров.
В камере центробежной сепарации может присутствовать диск среднего диаметра. Диск среднего диаметра может функционировать как перегородка для предотвращения поступления флюида напрямую в набор вторичных фильтров. Перегородка способствует движению материалов частиц к внешней стенке камеры центробежной сепарации.
Каждый набор фильтров обычно состоит из множества фильтров, расположенных по кругу вокруг продольной оси. Например, набор вторичных фильтров может состоять из 4, 5, 6, 7 или 8 (более предпочтительно 6) фильтрующих элементов, расположенных по кругу с центром на продольной оси. Набор третичных фильтров может состоять из 2, 3, 4, 5, 6, 7 или 8 фильтров, расположенных по кругу с центром на продольной оси. В одном из вариантов реализации изобретения присутствуют 6 вторичных фильтров и 3 третичных фильтра.
Центральная продольная труба закреплена вращательно на несущей конструкции. Несущая конструкция обычно оснащена двумя или более наборов подшипников, в которых труба поддерживается с возможностью вращения. Флюид может вводиться в трубу через первый набор боковых отверстий в стенке трубы, связанной с коллектором, установленным вокруг трубы. Коллектор оборудуется поворотным уплотнителем, который сцепляется с трубой так, чтобы предотвратить или минимизировать потерю флюида. Флюид проходит из внутреннего пространства трубы в камеру центробежной сепарации через второй набор боковых отверстий в стенке трубы. Для предотвращения потерь флюида через торцы трубы продольная труба может обладать закрытыми торцами или в отверстии трубы могут размещаться в соответствующих позициях блокирующие элементы.
Устройство изобретения может использоваться для фильтрации множества различных флюидов и, в частности, флюидов для удаления материалов частиц и других примесей.
В одном конкретном варианте реализации изобретения устройство изобретения подключается для очистки воды. Таким образом, источником флюида под давлением является источник воды под давлением. Вода может быть, например, водой, которая берется из скважины, колодца, реки, потока, пруда, озера или толщи соленой воды, или из контейнера водных отходов, а давление обеспечивается с помощью насоса, который используется для накачки воды в и через устройство. Таким образом, давление воды, создаваемое насосом, обеспечивает первичную приводную силу для вращения фильтровальной установки. Двигатель может использоваться как вспомогательный источник для увеличения скорости вращения, в случае, если отдельно давления воды не достаточно для вращения фильтровальной установки на желаемой скорости. Двигатель может также использоваться для начала вращения фильтровальной установки для создания начальной центробежной силы для сепарации частиц материалов. При достижении уровня центробежной силы, достаточного, чтобы предотвратить загрязнение вторичных фильтров частицами материалов, двигатель может впоследствии отключаться. В одном из предпочтительных вариантов реализации изобретения устройство изобретения может использоваться для производства чистой опресненной воды из воды с примесями солей.
Насос и любые вспомогательные двигатели могут приводиться в действие с помощью электричества или с помощью передвижного генератора, или с помощью любого из ряда возобновляемых источников энергии, таких как солнечная энергия.
Устройство изобретения также может быть использовано для фильтрации других флюидов, таких как углеводороды.
Устройство изобретения может быть выполнено передвижным, например, на грузовике или платформе и может, таким образом, легко и быстро транспортироваться туда, где оно необходимо, например, в работах по устранению последствий стихий, в случае нехватки или отсутствия чистой воды.
В дополнительном аспекте изобретение предоставляет способ сепарации материалов, взвешенных в потоке флюида, включающий пропускание потока флюида через устройство, как описано в данном документе.
В одном конкретном варианте реализации изобретения способ используется для удаления материалов частиц и не обязательно других примесей из воды, например, для обеспечения питьевой воды.
В другом варианте реализации изобретения способ используется для сепарации нефти и воды. Этот вариант реализации изобретения предусматривается как используемый, в частности, в работах по очистке разливов нефти. Так, например, устройство может быть установлено на лодке или другой плавающей платформе, и морская вода будет прокачиваться через устройство. Нефть, удаляемая из морской воды, может сохраняться в контейнере для захоронения или переработки, а вода возвращаться в море или проходить через один или более дополнительных фильтров или сепараторных устройств для удаления любых остатков нефти.
Дальше устройство будет проиллюстрировано более подробно (но без ограничений) со ссылками на определенный вариант реализации изобретения, проиллюстрированный в прилагаемых графических материалах, являющийся устройством для очистки воды.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Фиг. 1 является частичным боковым схематическим видом устройства в разрезе в соответствии с первым вариантом реализации изобретения.
Фиг. 2 является боковым схематическим видом в разрезе, иллюстрирующим центральную трубу устройства по Фиг. 1.
Фиг. 3 является видом в разрезе по линии I-I по Фиг. 1.
Фиг. 4 является частичным боковым схематическим видом в разрезе, соответствующим Фиг. 1, но иллюстрирующим направление потока флюида через устройство.
Фиг. 5 является схематическим частичным видом с торца, иллюстрирующим обтекатель, прикрепленный к устройству по Фиг. 1-3.
Фиг. 6 является схематическим частичным видом в разрезе сбоку, иллюстрирующим обтекатель по Фиг. 5.
Фиг. 7 является схематическим видом торца устройства по Фиг. 1-6, но без обтекателя по Фиг. 5 и 6.
Фиг. 8 является схематическим видом сбоку устройства по Фиг. 1-6, но без обтекателя по Фиг. 5 и 6.
Фиг. 9 является схематическим видом сбоку устройства в соответствии с вторым вариантом реализации изобретения.
Фиг. 10 является видом сбоку в разрезе устройства по Фиг. 9.
Фиг. 11 является видом в перспективе с одной стороны вращающейся сборки барабана устройства по Фиг. 9 и 10, но с удаленным устройством коллектора и только одним проиллюстрированным подшипником.
Фиг. 12 является видом внутренних компонентов вращающейся сборки барабана по Фиг. 11.
Фиг. 13 является видом в перспективе центральной трубы устройства по Фиг. 9-12.
Фиг. 14 является видом в перспективе части, формирующей барабан вращающейся сборки барабана по Фиг. 11 с видимыми лопастями.
Фиг. 15 является видом в перспективе устройства по Фиг. 9 и 10, частично разобранного для демонстрации устройства коллектора, окружающего вращающуюся сборку барабана.
Фиг. 16 является видом в перспективе одной из внутренних перегородок вращающейся сборки барабана устройства по Фиг. 9 и 10.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Дальше со ссылкой на проиллюстрированное на Фиг. 1-8, в одном из вариантов реализации изобретения устройство содержит продольную трубу 2, сформированную из нержавеющей стали или другого подходящего устойчивого к средам материала. Труба 2 закреплена вращательно на несущей конструкции 3 (см. Фиг. 8) посредством втулки и узла упорного подшипника 4, закрепленного на одном конце трубы 2 и установленного снаружи опорного подшипника 6. Внутреннее пространство трубы заблокировано уплотняющим элементом 8, содержащим трубчатый элемент с закрытыми торцами 10 и О-образный уплотнитель 12, посаженный в кольцевой паз на внешней поверхности трубчатого элемента 10. С одной стороны уплотняющего элемента 8 труба 2 оборудована круговым набором равномерно удаленных друг от друга отверстий. Выше по потоку от отверстия 14 вокруг трубы закреплена сборка поворотного уплотнителя 16. Поворотная уплотняющая сборка формирует часть входного коллектора жидкости 18, который подсоединен к источнику жидкости через насос (не показан).
Прикрепленные к внешней поверхности трубы 2 и выступающие наружу диски 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32 и 34 могут быть изготовлены из подходящего плотного пластикового материала или стойкого к коррозии метала. На Фиг. 1 диски большего диаметра 22 и 30 изготовлены из прозрачного пластикового материала, но они могут также изготовляться из непрозрачных пластиковых материалов и металлов, таких как нержавеющая сталь.
Внешний цилиндрический элемент 36 прикреплен к трем дискам наибольшего диаметра 22, 30 и 34 для образования внешнего барабана. Три диска меньшего диаметра 24, 26 и 28 и диск большего диаметра 30 прикреплены к внутреннему цилиндрическому элементу 38 для образования внутреннего барабана. Как будет понятно, внутренний и внешний барабаны расположены концентрически вокруг трубы 2. Внутренний и внешний барабаны вращаются с трубой 2.
Диски 22, 24, 26, 28 и 30 каждый имеют круговые ряды отверстий 40, 42, 44, 46, 48 (только одно отверстие каждого было проиллюстрировано в графических материалах). Комбинация дисков, цилиндрических элементов и отверстий служит для разделения внутреннего пространства внутреннего и внешнего барабанов на последовательности взаимосвязанных камер.
Внутреннее пространство внутреннего барабана разделено на три связанные камеры 50, 52, 54 (см. Фиг. 4), каждая из которых содержит кольцевой ряд вторичных фильтрующих элементов. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения камера 50 содержит набор фильтров 51 частиц размером 5 микрон, камера 52 содержит набор фильтров 53 частиц размером 1 микрон, и камера 54 содержит набор фильтров 55 с активированным углем.
Часть внутреннего пространства внешнего барабана захватывается внутренним барабаном. Оставшаяся часть внутреннего пространства внешнего барабана разделяется на камеру разделения потока 56, камеру внешней фильтрации 58, камеру центробежной сепарации 60 и камеру накопителя 80. Камера внешней фильтрации 58 является кольцеобразной камерой 58, состоящей из набора кольцеобразных третичных фильтров 59, которые в этом варианте реализации изобретения являются фильтрами обратного осмоса. Третичные фильтры 59 содержат выходы, пролегающие через отверстия в диске 22 в камеру накопителя 80.
Расположение фильтров внутри внутреннего и внешнего барабанов проиллюстрировано на Фиг. 4. В этом варианте реализации изобретения используются шесть комплектов вторичных фильтрующих элементов и три фильтра обратного осмоса, хотя следует отметить, что при необходимости может использоваться большее или меньшее количество вторичных и третичных фильтров.
Камера центробежной сепарации 60 разделяется на две диском 32, функционирующим как шламовый барьер, предотвращающий проникновение крупных частиц через отверстие 48 в камеру грубой фильтрации 50. Радиальная внешняя часть камеры центробежной сепарации 60 формирует ловушку для шлама, собирающую большие частицы, попадающие в камеру. Порт промывания шлама 62 предусмотрен во внешней стенке внешнего барабана для предоставления возможности удаления шлама из шламовой ловушки. Камера центробежной сепарации связана с внутренним пространством трубы 2 через отверстия 14 в трубе.
Камера разделения потока 56 открывается наружу в камеру внешней фильтрации 58, но также связана посредством отверстия 40 с камерой турбины 66. Камера турбины 66 оборудована набором установленных под углом лопастей или сопел 68, открытых под углом, скошенным относительно оси трубы 2. На Фиг. 5 и 6 проиллюстрированы только четыре расположенных под углом лопасти, но следует понимать, что большее количество лопастей может использоваться в случае необходимости, как проиллюстрировано на Фиг. 7 и 8. Лопасти или сопла 68 открываются в сторону обтекателя 70, который закреплен вокруг трубы 2 (см. Фиг. 5 и 6). Обтекатель 70 закреплен и не вращается с трубой. Вместо этого труба вращается внутри обтекателя. Обтекатель 70 содержит обшивку 72 и регулятор патрубка 74. Уплотняющие элементы 74 и 76 обеспечивают движущееся уплотнение между обтекателем и трубой 2 и обтекателем и торцевой стенкой внешнего барабана (диск 22) соответственно. Обтекатель опущен для ясности на Фиг. 7 и 8.
Камера накопителя 80 формируется внешним цилиндрическим элементом 36 и радиально внутрь ориентированной торцевой стенкой 82, соединенной с (или совместно сформированной с) внешним цилиндрическим элементом 36. Внутри камеры накопителя 80 располагается лопатко-подобная конструкция 84, соединенная с трубой 86. Лопатко-подобная конструкция и труба 86 имеют зафиксированное положение и не вращаются с внешним и внутренним барабанами. Труба 86 пролегает через кольцевой зазор между направленной радиально внутрь кромкой торцевой стенки 82 и внешней поверхностью камеры турбины и наружу через отверстие в обтекателе (не показан на Фиг. 7 и 8) в приемщик или контейнер для воды (не показан).
Устройство, проиллюстрированное на Фиг. 1-8, может использоваться для очистки воды, например, воды, взятой из реки или колодца/скважины. При использовании в таких целях необработанная вода закачивается в трубу 2 и проходит через отверстия 14 в камеру центробежной сепарации 60. При попадании в камеру центробежной сепарации вода отклоняется вокруг края диска 52 в расположенную ниже по потоку часть входной камеры. Вращение внутреннего и внешнего барабанов и трубы 2 создает центробежную силу, которая заставляет крупные частицы, взвешенные в воде, оседать в виде шлама в радиально направленной наружу части камеры. Шлам может убираться с некоторыми интервалами через порт вымывания шлама 62.
После удаления материала крупных взвешенных частиц из ловушки для шлама поток воды проходит через отверстие 48 в первый вторичный фильтр 51, который, в этом варианте реализации изобретения, является 5-микронным осадочным фильтром. Вода выходит из 5-микронного фильтра 51 и затем проходит через отверстие 46 во второй вторичный фильтр 53, имеющий более мелкую решетку, чем фильтр 51, и удаляет частицы размером вплоть до 1 микрона. Поток воды затем проходит через отверстие 44 в третий вторичный фильтр, который является фильтром с активированным углеводом для удаления органических примесей из воды.
После выхода из третьего вторичного фильтра 53 вода проходит через отверстие 42 в диске 29 в камеру разделения потока 56. Здесь поток воды разделяется, часть воды протекает через отверстие 40 в камеру турбины 66, а оставшаяся часть проходит в камеру внешней фильтрации 58. В камере внешней фильтрации 58 частично очищенная вода проходит через третичный фильтр 59, который в этом варианте реализации изобретения является фильтром обратного осмоса, например, мембранным фильтром обратного осмоса Amfor™, доступным от Amfor Inc., Newport Beach, California. Фильтр 59 удаляет, по существу, все оставшиеся примеси из воды, чтобы дать питьевую воду, которая проходит через отверстие 61 в камеру накопителя 80. При вращении барабанов вода поступает в камеру накопителя 80 и собирается зафиксированным ковшеподобным элементом и подается в подходящую камеру хранения.
Вода, проходящая в камеру турбины 66, выводится через расположенные под углом лопасти 78, при этом давление воды, выходящей из отверстий, обеспечивает вращательную силу, которая вращает трубу и сборку внутреннего/внешнего барабана. Частично очищенная вода, проходящая через камеру турбины в обтекатель 70, может проходить в отходы или может собираться, смешиваться с водой из источника и перерабатываться через устройство.
Следует понимать, что давление воды в устройстве будет определять скорость вращения трубы и связанных внутренних и внешних барабанов. Чем больше скорость вращения, тем более мощная центробежная сила действует на воду и любые осадочные примеси, взвешенные в воде. Грубые осадочные примеси, присутствующие в воде, поступают во входную камеру из трубы, двигаясь к внешним краям входной камеры под действием центробежной силы. При более мощной центробежной силе большая часть осадочных примесей может быть удалена из воды во входной камере, предотвращая, таким образом, их прохождение внутрь и засорение первого первичного фильтра 51. Хотя основной приводящей силой вращения устройства является насос, в дополнение к насосу может использоваться двигатель (не показан), в случае, если давление воды не остаточно. Двигатель может также использоваться для начала вращения трубы и барабанов до запуска воды в устройство, обеспечивая, таким образом, то, что вода и любые входящие частицы будут подвержены центробежной силе, как только вода попадет во входную камеру для воды. Это предотвращает попадание грубых осадочных примесей на первичные фильтры во время запуска устройства. При прохождении воды через камеру турбины с достаточным давлением для привода вращения трубы двигатель может быть отключен.
В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном в графических материалах, камера накопителя 80 расположена на том же конце фильтрационного барабана, что и камера турбины. Размер и угол лопастей 78 и размеры торцевой стенки 82 камеры накопителя 80 выбираются так, чтобы предотвратить или минимизировать возможность попадания частично очищенной воды из лопастей 78 в камеру накопителя.
В альтернативном варианте реализации изобретения (не показан) камера накопителя располагается на противоположном конце устройства. В этом альтернативном варианте реализации изобретения "левый" конец (относительно ориентации, проиллюстрированной в графических материалах) фильтра обратного осмоса 59 оборудован отверстием для приема воды из камеры разделения потока 56, а выходное отверстие фильтра находится на "правом конце" фильтра. Диски 30 и 34 оборудованы расположенными под углом отверстиями, соединенными отрезком трубы, и камера накопителя расположена с "правой стороны" диска 34 и является зеркальным отображением камеры накопителя, проиллюстрированной на Фиг. 1. В этом варианте реализации изобретения вода из камеры разделения потока 56 проходит в фильтр обратного осмоса 59, по фильтру и через отверстие в диске 30 посредством отрезка трубы и через отверстие в диске 34 в камеру накопителя. Преимущество расположения камеры накопителя воды на противоположной стороне фильтрационного устройства от камеры турбины состоит в том, что в таком случае отсутствует наименьшая возможность смешивания очищенной воды с частично очищенной водой из лопастей камеры турбины.
Вариант реализации изобретения, проиллюстрированный на Фиг. 1-8, описан с конкретной ссылкой на очистку воды, но он также может использоваться для очистки других флюидов посредством удаления материалов частиц.
Устройство в соответствии со вторым вариантом реализации изобретения проиллюстрировано на Фиг. 9-15. Устройство содержит несущую конструкцию, содержащую пару торцевых стенок 202, 204, соединенных вместе множеством (в данном случае восьмью) шпильками с резьбой 206, которые закреплены в торцевых стенках 202, 204 посредством гаек с каждой стороны каждой стенки. Для ясности некоторые из шпилек с резьбой не проиллюстрированы на фигуре.
На обращенных внутрь сторонах торцевых стенок 202, 204 закреплены сборки подшипников 208, 210. Труба 216, изготовленная из нержавеющей стали, пролегает между двумя сборками подшипников 208, 210 обычной конструкции. Оба конца трубы 216 выступают в подшипники и вращаются с ними. Труба снабжения флюидом 212 и выходная труба 214 располагаются в открытых концах трубы. Внешние поверхности труб 212 и 214 уплотнены между внутренними поверхностями двух концов трубы 216 посредством кольцеобразных уплотняющих элементов 213 и 215 соответственно. Труба 216 проиллюстрирована более детально на Фиг. 13, из которой можно увидеть, что труба обладает двумя круговыми наборами отверстий 218, 220 (каждый набор в этом варианте реализации изобретения имеет десять отверстий) и множеством (в этом варианте реализации изобретения три) вытянутых продольных щелей 222, расположенных вокруг окружности трубы. Функция отверстий и слотов описана ниже.
Отверстие трубы заблокировано блокирующим элементом 217 в форме диска, содержащего набор кольцевидных уплотняющих элементов на внешнем крае, который формирует уплотнение относительно внутренней стенки трубы. Блокирующий элемент или болванка предотвращают проникновение флюида вдоль отверстия трубы.
Пара сборок дисков 224, 226 прикрепляется к внешней поверхности трубы 216 и выступает наружу, а также они соединяются вместе посредством шпилек с резьбой 227 (которых в данном варианте реализации изобретения шесть), проходящих через отверстия в сборках дисков 224, 226, и удерживаются на месте гайками крепления с каждой стороны каждой сборки дисков. Каждая сборка дисков может быть изготовлена из подходящего крепкого пластикового материала или стойкого к коррозии металла, такого как нержавеющая сталь, или комбинации пластиковых и металлических материалов.
Между двумя сборками дисков 224, 226 располагаются и закрепляются на трубе 216 две средние дисковые сборки 228 и 230. Сборка дисков 230 прикреплена к шпилькам с резьбой 208 с помощью крепежных гаек. Сборка дисков 228 закреплена с возможностью скольжения на трубе 216 и имеет отверстия, через которые проходят шпильки с резьбой.
Средняя сборка дисков 230, в этом варианте реализации изобретения, изготавливается из подходящего крепкого прозрачного пластикового материала, но альтернативно может быть изготовлена из непрозрачного пластикового материала или металла, или их комбинации. Сборка дисков 230 обладает меньшим диаметром, чем сборки дисков 224, 226 и 228.
Средняя сборка дисков 228, проиллюстрированная более детально на Фиг. 16, содержит диск 228а из прозрачного пластикового материала, хотя вместо этого он может быть изготовлен из непрозрачного пластикового материала или устойчивого к коррозии металла, такого как нержавеющая сталь. Диск 228а толще в продольном направлении, чем диск 230, и обладает тремя круговыми наборами отверстий 228b, 228с и 228d, а также имеет центральным отверстием 228е. В каждом из двенадцати наиболее удаленных от центра отверстий 228d размещены болты 232. Болты 232 удерживают кольцевой уплотняющий элемент 234, который пролегает поверх болтов. Уплотняющий элемент 234 изготавливается из подходящего эластичного уплотняющего материала. Радиально внутрь отверстий 228d располагается круговой набор из шести отверстий 228с, через которые проходят шпильки с резьбой 227. Радиально внутрь отверстий 228с располагаются отверстия 228b, которых в этом варианте реализации изобретения шесть. Отверстия 228b обеспечивают гидравлическую связь через диск 228а.
Дополнительно к центральному отверстию 228е и трем круговым наборам отверстий 228b, 228с и 228d, диск 228а обладает тремя каналами 228f, пролегающими от радиально внешнего края диска к центральному отверстию 228е. В трех каналах 228f располагаются болты крепления 236. Внутренние концы болтов крепления 236 пролегают через щели 222 в трубе 216 и закрепляются в цилиндрической уплотняющей втулке 238. Уплотняющая втулка 238 прикреплена к шпильке с резьбой 240, пролегающей вдоль внутреннего пространства трубы, и выходит через уплотняющий сальник, соединенный с трубой 214. Конец шпильки может быть соединен с инструментом для облегчения вращения шпильки и, соответственно, продольного движения уплотняющей втулки 238 по трубе. Таким образом, шпилька 240 может использоваться для движения уплотняющей втулки и, поскольку диск 228 прикреплен к уплотняющей втулке 238, движение уплотняющей втулки будет также приводить к продольному движению диска 228. Движение уплотняющей втулки 238 и диска 228 обеспечивает эффективный размер изменяемого отверстия, формируемого щелями 222, например, при увеличении размера отверстия для улучшения прохождения более вязких материалов или более крупных частиц.
Зажатый между сборками дисков 224 и 226 цилиндр 242 изготавливается из нержавеющей стали. Цилиндр 242 проиллюстрирован более подробно на Фиг. 14. Цилиндр 242 закреплен в круговых углублениях или пазах в обращенных внутрь краях сборок дисков 224 и 226. Кольцевой уплотняющий элемент 234 средней сборки диска 228 туго закрепляется напротив внутренней поверхности цилиндра 242, тогда как присутствует круговой зазор 244 между внешним краем срединной сборки дисков 230 и внутренней поверхностью цилиндра 242.
Сборки дисков 224 и 226 и цилиндр 242 совместно формируют вращающуюся барабанную сборку, вращающуюся с трубой 216. Внутреннее пространство барабана разделено на первую камеру 246 и вторую камеру 248 средней сборкой диска 228. Отверстия 228b обеспечивают гидравлическую связь между первой и второй камерами.
Первая камера 246, функционирующая как камера центробежной сепарации, разбивается на две камеры средней сборкой диска 230. Расположенная ниже по потоку подкамера 246а принимает флюид через отверстия 218 в трубе 216. Расположенная выше по потоку подкамера 246b соединена с камерой 248 посредством отверстий 228b. Круговой зазор 244 обеспечивает проникновение флюида между расположенной ниже по потоку подкамерой 246а и расположенной выше по потоку подкамерой 246b.
На внешнюю поверхность цилиндра 242 прикрепляется набор лопастей 248. В этом варианте реализации изобретения лопасти продольно ориентированы, но вместо этого они могут быть ориентированы под углом, например, до 45° (например, от около 15° до 40° или от около 20° до 37°, или от около 25° до 35°, или от около 30° до около 32°) по отношению к продольной оси трубы 216. В этом варианте реализации изобретения лопасти изготовлены в парах, при этом каждая пара составляется двумя сторонами полосы металла секции канала. Третья (то есть средняя) сторона полосы канальной секции прикрепляется к цилиндру посредством заклепок 250 или других крепежных элементов. Между каждой лопастью размещается отверстие 252, обеспечивающее отверстие во внутреннее пространство камеры центробежной сепарации. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения сформировано двадцать четыре таких отверстия, хотя при желании их может быть больше или меньше. Функции лопастей и отверстий описаны ниже.
Коллекторное устройство 254, окружающее вращающийся барабан, но не вращающееся с ним, прикреплено к шпилькам 206 посредством крепежных гаек. Коллекторное устройство 254 содержит пару круговых элементов 256 и цилиндрический элемент 258, которые вместе формируют круговой канал, окаймляющий лопасти 248 на внешней поверхности вращающегося барабана. Существует небольшой зазор 260 между внутренними краями кольцевых элементов 256 и внешней поверхностью вращающегося барабана.
На своем нижнем крае (термин "нижний" применим к используемой ориентации) цилиндрический элемент содержит круглое или овальное отверстие 262, которое формирует выходной канал коллектора.
Отверстие 262 соединено с трубой 264 для отвода материалов, проходящих через отверстие.
Вращение вращающегося барабана приводится в действие приводным ремнем 266, который контактирует с внешней поверхностью барабана. Приводной ремень соединен с двигателем (не показан).
Устройство, проиллюстрированное на Фиг. 9-16, отличается от устройства по Фиг. 1-8 тем, что в нем отсутствуют вторичные и третичные фильтрующие элементы, содержащиеся в устройстве по Фиг. 1-8, и вместо этого оно полагается на центробежную силу как на средство достижения сепарации. Устройство по Фиг. 9-16 может использоваться для разделения множества различных взвешенных материалов в потоке флюида. Например, устройство может использоваться для сепарации материалов грубых частиц из жидкости, например взвешенных осадочных примесей из воды, или оно может использоваться для сепарации нефти из воды.
В одном конкретном варианте реализации изобретения устройство может использоваться для сепарации нефте-водного шлама и преобразования в преимущественно содержащий воду компонент и преимущественно содержащий нефть компонент.
Таким образом, нефте-водный шлам закачивается по трубе 212 в направлении D и затем в трубу 216, вращающуюся на подшипниках 208 и 210 под воздействием приводного ремня 266. Прохождение нефте-водного шлама по внутреннему пространству трубы блокируется блокирующим элементом 217 и таким образом проходит в расположенную выше по потоку подкамеру 246а камеры центрифуги 246 через отверстия 218 в стенке трубы, при этом движению шлама в камеру способствует центробежная сила, создаваемая вращающейся трубой. Внутри камеры 246а средняя сборка дисков 230 действует как барьер и предотвращает прохождение шлама напрямую в направлении отверстий 22 8b, заставляя его вместо этого двигаться радиально наружу и затем через промежуток 244 по внешнему краю перегородки. По мере его движения наружу в направлении внутренней поверхности цилиндра 242 центробежная сила, создаваемая вращением барабана, вызывает сепарацию нефти и воды в шламе. Поскольку вода плотнее нефти, вода движется преимущественно к внешней области камеры 246а и выходит через отверстия 252 в коллекторное устройство 254, из которого она направляется в коллекторную емкость (не показана). Оставшийся шлам, который к этому времени содержит значительно меньшее количество воды и таким образом является более вязким, проходит в расположенную ниже по потоку подкамеру 246b и затем через отверстия 228b во вторую камеру 248. После попадания в камеру 248 остаточный шлам проходит через отверстия 220 и щель 222 (за исключением случая, когда положение заглушки было выбрано таким образом, что щель заблокирована) и обратно во внутреннее пространство трубы 216. Отсюда шлам выходит через трубу 214 и собирается.
Было обнаружено, что с помощью устройства, описанного выше, может быть достигнута хорошая сепарация нефти из воды. В целях максимизации сепарации воды и нефти в шламе, скорость вращения барабана может изменяться простым экспериментальным путем проб и ошибок, пока не будет установлена оптимальная скорость.
Следует отметить, что по мере удаления большего количества воды оставшийся шлам становится более вязким. Таким образом, на более высоких скоростях вращения, при которых степень сепарации нефти и воды увеличивается, положение заглушки устанавливается так, чтобы эффективный размер отверстий, обеспечиваемый щелями 222, увеличивался, позволяя, таким образом, более вязкому нефтяному шламу более легко проходить в трубу 216.
В альтернативном варианте реализации изобретения устройство может быть использовано для сепарации материалов частиц, таких как осадочные примеси, земля и песок из воды. Например, устройство может использоваться для сепарации материалов отходов, получаемых при гидроразрыве пласта. В настоящее время жидкие отходы, получаемые при гидроразрыве пласта, сохраняются в осадочных емкостях, что позволяет осадочным примесям осесть, поэтому процесс может быть растянут во времени и требует много места. Сепарация осадочных примесей из воды может происходить значительно быстрее при использовании устройства, проиллюстрированного на Фиг. 9-16.
В случае использования устройства по Фиг. 9-16 для сепарации материалов частиц из воды, более плотные частицы осадочных примесей будут мигрировать во внешние области расположенной выше по потоку подкамеры 246а и будут проходить через отверстия 252 в коллектор, в то время как, по существу, свободная от осадочных примесей вода будет проходить через зазор 244 в расположенную ниже по потоку подкамеру 246b и оттуда через камеру 248 и отверстия 220 в трубу 216, а затем в коллектор, прикрепленный к трубе 214.
Коллекторное устройство 254 не вращается с вращающимся барабаном, а закреплено на несущей конструкции 202, 204, 206. Движущееся уплотнение может в принципе быть образовано между внешней поверхностью барабана и коллекторным устройством для предотвращения утечки материалов через зазор между коллекторным устройством и барабаном, но такое движущееся уплотнение должно быть особенно надежно для того, чтобы выдерживать воздействие частиц осадочных примесей, проходящих в коллектор. Однако было обнаружено, что нет необходимости в движущемся уплотнителе в устройстве по Фиг. 9-16, поскольку лопасти 248 на внешней поверхности вращающегося барабана действуют как крыльчатка, загоняющая воздух в коллекторное устройство и предотвращающая таким образом выход флюида и других материалов через зазор.
Варианты реализации изобретения, описанные выше и проиллюстрированные на приложенных фигурах и в таблицах, представлены исключительно в иллюстративных целях для описания изобретения и не имеют какого-либо ограничивающего характера. Будет совершенно очевидно, что многочисленные модификации и изменения могут быть сделаны в конкретных вариантах реализации изобретения, проиллюстрированных без отхода от принципов, лежащих в основе данного изобретения. Все такие модификации и изменения подразумеваются как охваченные данной заявкой.