ВЫСОКОГРАДИЕНТНЫЙ НЕОДИМОВЫЙ МАГНИТНЫЙ СЕПАРАТОР С ФЕРРОМАГНИТНЫМ КАРТРИДЖЕМ
HIGH-GRADIENT NEODYMIUM MAGNETIC SEPARATOR WITH FERROMAGNETIC CARTRIDGE

Изобретение предназначено для защиты окружающей среды от нефтяных загрязнений. Основное назначение - доочистка пластовых вод от эмульгированных нефтепродуктов с применением высокодисперсного магнетитового сорбента на нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятиях. Для извлечения из воды эмульсионных капель нефти с размерами глобул меньше 10 мкм, покрытых слоем высокодисперсного магнетита (с размерами частиц около 10 нм). За счет большого градиента магнитного поля в сепараторе, обеспечивается захват глобул с небольшим магнитным моментом.
Известен магнитный сепаратор для извлечения ферромагнитных примесей из жидких сред [Патент РФ №2263548, Бюл. №31, 10.11.2005 г.] нефтедобывающих, химических, металлургических и других отраслей промышленности. Магнитный сепаратор состоит из корпуса, патрубка входа и выхода. Жидкость, поступая в сепаратор, движется в зону и попадает на трубы. Течение жидкости поперек труб. Внутри труб расположены вращающиеся цилиндры, на поверхности которых прикреплены по спирали постоянные точечные магниты. Прилипшие к поверхности магнитные частицы по направляющим поступают в бункер, где извлекаются по каналу.
Недостатком известного устройства является то, что не описаны конструкционные особенности магнитного сепаратора. Расстояние от извлекаемого компонента до осадных труб и градиент магнитного поля. Дана лишь общая идея извлечения, с припиской: в настоящей конструкции достигается максимальный градиент.
Прототипом предлагаемого устройства является высокоградиентный магнитный фильтр [Патент РФ №2360740, Бюл. №19, 10.07.2009 г.], содержащий корпус, крышку, входной и выходной патрубки. В крышке корпуса имеются отверстия, в которых закреплены одна или несколько кассет. Внутри каждой кассеты размещены аксиально намагниченные постоянные магниты и полюсные наконечники. Полюсные наконечники выполнены в виде дисков равного с магнитами диаметра и расположены между обращенными одноименными полюсами друг к другу магнитами. Полюсные наконечники выполнены из магнитомягкого материала. Магниты и полюсные наконечники объединены жесткой немагнитной механической связью с возможностью перемещения относительно кассеты и извлечения из кассеты через отверстие в крышке. Матрица представляет собой катушку, размещенную непосредственно на кассете. Обмотка катушки выполнена многослойной намоткой магнитомягкой коррозионно-стойкой проволоки. Каждый последующий слой намотки матрицы выполнен под углом 30°-60° к предыдущему слою. Поток очищаемой среды подается через входной патрубок, проходит через матрицу, сформированную на цилиндрической кассете и находящуюся в магнитном поле аксиально намагниченных дисковых высококоэрцитивных постоянных магнитов и полюсных наконечников. При этом ферро-, пара- и диамагнитные частицы примесей удерживаются матрицей фильтра. Очистка матрицы производится прямым или обратным повышенным расходом промывочной воды со сбросом в спецканализацию.
Недостатком известного устройства является сложность его эксплуатации при решении задачи по очистке от эмульгированных нефтепродуктов, ввиду трудности промывки матрицы от слипшихся нефтепродуктов. Кроме того, отсутствует расчет индукции и градиента в рабочей области, что затрудняет возможность применения данного сепаратора для извлечения омагниченных эмульсий.
Задачей изобретения является создание высокоградиентного магнитного сепаратора упрощенной конструкции, с помощью которого возможна очистка воды от эмульсионных глобул с небольшим магнитным моментом и упрощенной процедурой регенерации фильтрующего элемента (ферромагнитного картриджа).
Техническим результатом является увеличение эффективности за счет подбора оптимального соотношения размеров магнитной системы, упрощение конструкции магнитного сепаратора, и упрощение процедуры регенерации магнитного картриджа.
Для решения поставленной задачи и получения технического результата магнитный сепаратор изготовлен из немагнитного пластика, имеющий цилиндрический корпус, расположенные в нем патрубки входа и выхода и кассеты. Цилиндрический корпус изготовлен замкнутым с торцов и разъемным по телу. Верхний торец оснащен съемной крышкой с кассетой для магнитного сердечника. Нижняя часть разъемного корпуса содержит патрубок входа очищаемой жидкости, патрубок входа промывочной жидкости, снабжен уплотнением и выполнен герметичным. Внутри цилиндрического корпуса установлен ферромагнитный картридж из тонких и круглых стальных стержней, закрепленных в торцевых основаниях. Наружный ряд стержней собран в виде «беличьего колеса», а внутренний ряд сформирован в виде сквозного отверстия квадратной формы для соосного размещения кассеты. В центре кассеты располагается в виде сердечника неодимовый параллелепипед квадратного сечения, стержни картриджа размещены внутри ромбовидно из условия, что векторы напряженности магнитного поля направлены по диагонали ромба и снабжены нагревательным элементом для размагничивания стержней и очистки от нефтезагрязнений ферромагнитного картриджа. В верхней части корпуса расположены патрубки выхода при очистке и при промывке. Все патрубки оснащены клапанами.
Полный список обозначений на фиг. 1- Магнитный сепаратор НМС-1: 1 - Штекер подключения ТЭН-а, 2- патрубок входа для промывки и добавления ПАВ, 3 - ТЭН, 4 - патрубок входа очищаемой жидкости, 5 -направляющая картриджа, 6 - ферромагнитный картридж, 7 - герметичный уплотнитель, 8 - нижняя часть разъемного корпуса, 9 - цилиндрический корпус, 10 - патрубок выхода во время промывки, 11 - патрубок выхода во время очистки, 12 - верхняя часть разъемного корпуса, 13 - неодимовый магнит, 14 - клапан патрубков очистки, 15 - клапан патрубков промывки.
Расположение стальных стержней в картридже является одной из конструктивных особенностей предлагаемого магнитного сепаратора. На фиг. 2 представлено изображение рабочей области в поперечном сечении и расчет магнитного поля между стержнями диаметром 1 мм в поле 0,12 Тл (расстояние между стержнями 1 мм): 1 - ферромагнитные стержни, 2 -траектории расчета магнитной индукции, 3 - вектор напряженности внешнего поля. Расчет магнитного поля в рабочей области осуществляется в трех направлениях: А - между нижним и верхним, Б - между верхним и правым, В - между правым и левым.
На Фиг. 3 представлена модель извлечения омагниченной нефтяной капли в магнитном сепараторе с продольным расположением стержней относительно потока: а - модель движения капли в магнитном поле вдоль стержней, 6 - поперечное сечение рабочей зоны магнитного сепаратора. Основные обозначения: 1 - ферромагнитные стержни, 2 - рабочая зона между стержнями, 3 - омагниченная капля эмульсии нефти.
На фиг. 4 представлено изображение и расчет магнитного поля неодимового магнитного сердечника в поперечном сечении со стороной основания 100 мм.
На фиг. 1 изображен неодимовый магнитный сепаратор. На болтах соединены основной корпус 9 и нижняя часть разъемного корпуса 8, между которыми находится герметичный уплотнитель. Цилиндрический корпус, нижняя часть разъемного корпуса и кассета 12 изготовлены из немагнитного пластика для снижения магнетитово-нефтяных отложений внутри устройства и упрощения процесса промывки. На нижней части корпуса находятся патрубок входа очищаемой жидкости 4 и патрубок входа 2 при промывке горячей водой совместно с ПАВ. В процессе первичной промывки прекращается режим очистки путем одновременного закрытия клапанов 15 на патрубке входа 4 и выхода 10. Одновременно с этим открываются клапана 14 на патрубках 2 и 11. Через патрубок 2 поступает под напором горячая вода с добавлением ПАВ. Неодимовый магнитный сердечник 13 извлекается из верхней крышки корпуса с кассетой 12, перемещая за собой омагниченную массу к верхнему патрубку и способствуя процессу промывки. После первичной промывки включается ТЭН и доводится до кипения жидкость внутри сепаратора, что способствует частичному размагничиванию картриджа и удалению нефтяных отложений. Ферромагнитный картридж 6 установлен на направляющей 5. Для снятия картриджа откручиваются болты и снимается крышка 12.
Выполнены расчеты магнитного поля для неодимового магнитного сердечника, имеющего форму прямоугольного параллелепипеда с квадратным основанием.
Пример 1. Расчет магнитного поля неодимового магнита со стороной 100 мм (фиг. 4). Индукция 0,12 Тл наблюдается на расстоянии 100 мм от поверхности магнита.
Расчет магнитного поля сердечника с квадратным основанием (фиг. 4) показывает равномерное распределение величины магнитного поля по кругу относительно центра магнита. Таким образом, внешняя часть ферромагнитного картриджа изготовлена в виде «беличьего колеса» с диаметром, который определяются из соотношения D=3a, где а - сторона квадрата в поперечном сечении неодимового магнитного сердечника, а внутренний ряд сформирован в виде сквозного отверстия квадратной формы для соосного размещения кассеты. При соблюдении этого условия индукция магнитного поля составляет не менее 0,12 Тл. Наночастицы магнетита становятся магнитно насыщенными в таком поле.
Среди рассмотренных вариантов расположения стержней было выбрано ромбовое расположение (Фиг. 2) по отношению к силовым линиям магнитного поля сердечника. При таком расположении стержней наблюдается компенсация обратных полей возле левого и правого стержней за счет полей верхнего и нижнего стержней. В рабочей зоне между стержнями с таким расположением наблюдается индукция выше 0,12 Тл и средний линейный градиент 60-70 Тл/м.
В данной конструкции удалось существенно сократить расстояние извлечения и увеличить градиент, что способствует увеличению скорости движения мицеллы нефти покрытой наночастицами магнетита. При этом продольное расположение стержней облегчает процесс промывки.
пот
эм
Для оценки производительности неодимовго магнитного сепаратора с продольным расположением стержней относительно потока определим следующие допущения и начальные условия. Эмульсионная капля нефти движется в ламинарном потоке между ферромагнитными стержнями толщиной т и длиной L. Расстояние между стержнями d. Скорость потока жидкости V в магнитном сепараторе устанавливается из расчета скорости движения омагниченной нефтяной капли в магнитном поле V. На фиг. 3 изображено расположение стержней в картридже в поперечном сечении. Фиг. 3 - а) Модель движения капли в магнитном поле, б) рабочая зона между стержнями в поперечном сечении картриджа.
Производительность магнитного сепаратора может быть оценена следующей формулой:
Рабочая площадь магнитного сепаратора диаметром D с учетом квадратного сердечника стороной  и ферромагнитного картриджа:
где ϕ - коэффициент рабочей зоны магнитного картриджа. Для его определения обратимся к фиг. 3(б). Выделим ромбовидную область между стержнями толщиной m, находящихся на расстоянии d друг от друга. Коэффициент рабочей зоны отсюда:
romb
st
S - площадь выделенной области, S - площадь сечения стержня. Отсюда производительность магнитного сепаратора:
ch
эм
-9
-6
В таблице 1 приведен расчет производительности магнитного сепаратора НМС-1 (с применением различной толщины стержней в картридже) по очистке пластовой воды от эмульгированных нефтепродуктов с применением наночастиц магнетит (10 нм). Установим следующие размеры магнитного сепаратора: длина ферромагнитного стержня в картридже L=0.5 м, диаметр магнитного сепаратора в поперечном сечении D=0.3 м, неодимовый магнит со стороной  Размеры частиц магнетита d=10 м, размер капель эмульсии d=10 м.
ch
эм
-9
-6
Таблица 1. Расчет производительности магнитного сепаратора L=0.5 м, D=0.3 м, d=10 м, d=10 м.