Сепаратор мазута

Полезная модель относится к области техники, используемой для обезвоживания мазута на судах, а также для обезвоживания мазута в мазутохранилищах предприятий, использующих мазут в качестве топлива.
При транспортировке и в ходе длительного хранения наблюдается постепенное обводнение мазута водой, содержание которой может доходить до 30-50%, при норме 1% (см., например,. Клыков М.В., Алушкина Т.В., Абросимова М.О. Термическое обезвоживание мазута // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2015. №2. С. 266-280. URL: http://ogbus.ru/issues/2_2015/ogbus_2_2015_p266-280_KlykovMV_ru.pdf). При длительном хранении обводненного мазута развиваются колонии микроорганизмов. Развитие микроорганизмов способствует эмульгированию топлив, образованию слизи. Это приводит к стабилизации дисперсной системы вода-мазут и затруднениям при отделении воды от мазута методом отстаивания. В связи с этим мазут, содержащий до 50% и более воды, чрезвычайно трудно отделить от воды.
Известна полезная модель обезвоживания мазута, путем отстаивания воды при нагреве мазута до 70-90°С. Отстаивание производят при выключенных нагревателях, так как их включение вызывает конвекционные потоки жидкостей, которые затрудняют образование отстоя (см., например, Правила технической эксплуатации нефтебаз, М, Недра, 1986). Поскольку плотность мазута близка к плотности воды, то эта модель имеет невысокую эффективность.
Известна также полезная модель термического обезвоживания нефтепродуктов. Исходный нефтепродукт нагревается до текучего состояния при перемешивании смеси исходного и обезвоженного нефтепродуктов при 100-150°С. Этот процесс трудоемок, так как необходимо перемешивать смесь нефтепродуктов с добавкой поверхностно-активного вещества с использованием специальных мешалок при температуре 100-150°С. (Авторское свидетельство СССР 1747467, 1990 г.).
Известна полезная модель судового сепаратора нефтесодержащих вод в виде системы нефтесодержащих вод, входящей в состав котельной установки, согласно патента на полезную модель «Котельная установка» №159519 по заявке №2015126205 от 30 июня 2015 г., авторы: А.Г. Чичурин, О.П. Шураев, Н.Н. Борисов, Р.В. Пырков.
Судовой сепаратор нефтесодержащих вод включает последовательно соединенные цистерну нефтесодержащих вод, фильтр грубой очистки, насос, выходной клапан и фильтр тонкой очистки, причем выход фильтра тонкой очистки подключен к входу форсунки нефтесодержащих вод котла, а также последовательно соединенные входной клапан, испарительную цистерну и насос нефтеостатков, причем вход входного клапана соединен с выходом насоса, а выход насоса нефтеостатков соединен с входом фильтра тонкой очистки, при этом испарительная цистерна содержит дыхательную трубку, нагревательный элемент и термометр.
Данная система нефтесодержащих вод обеспечивает обезвоживание нефтесодержащих вод путем их прогрева до температуры кипения воды и последующего подогрева до повышения температуры содержимого испарительной цистерны.
Здесь нефтесодержащие воды поступают в испарительную цистерну, где подвергаются нагреванию. При этом температура нефтесодержащих вод повышается, и при достижении температуры порядка 100°С начинается процесс кипения воды, входящей в их состав. В результате данного процесса вода из состава нефтесодержащих вод превращается в пар и уходит в атмосферу. При этом нефтесодержащие остатки, практически, не испаряются, так как температура их кипения выше 100°С, а их концентрация в составе нефтесодержащих вод повышается. Все это время температура содержимого данной цистерны остается практически неизменной, так как почти вся подводимая к испарительной цистерне теплота идет на испарение воды из состава нефтесодержащих вод. После полного испарения воды в испарительной цистерне останутся только нефтесодержащие остатки, и подводимая теплота будет расходоваться для их разогрева. В результате температура содержимого испарительной цистерны начнет повышаться. Заметное повышение температуры выше 100°С и является признаком практически полного испарения воды из состава нефтесодержащих вод. После испарения воды из состава нефтесодержащих вод в испарительной цистерне остаются обезвоженные нефтеостатки.
Если вместо нефтесодержащих вод в испарительную цистерну залить обводненный мазут, то данная полезная модель может быть применена и для обезвоживания мазута. Однако, здесь вследствие мелкодисперсионного состояния воды в мазуте, греть мазут необходимо до температуры порядка 170°С и поддерживать данную температуру достаточно длительное время (см., например, Клыков М.В., Алушкина Т.В., Абросимова М.О. Термическое обезвоживание мазута // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2015. №2. С. 266-280. URL: http://ogbus.ru/issues/2_2015/ogbus_2_2015_p266-280_KlykovMV_ru.pdf). При этом у рассматриваемой полезной модели будут проявляться следующими недостатки.
Во-первых, для нагрева содержимого испарительной цистерны требуется значительная энергия. Во-вторых, будут иметь место большие тепловые потери с поверхности емкости с подогреваемым мазутом, так как, подогревается емкость значительных размеров, и подогрев продолжается достаточно длительное время. В-третьих, мазут имеет достаточно широкий фракционный состав, в том числе содержит и легкие фракции, которые практически отсутствуют у нефтесодержащих вод, а нагретые пары легких фракций мазута при смешивании с воздухом взрывоопасны.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является полезная модель сепаратора мазута согласно патента на изобретение «Устройство для обезвоживания мазутного шлама» №2122564 по заявке 97114996/25, от 02.09.1997, авторы Кузьминов В.М., Колодяжный В.Г., Низьев О.Г., Юдин В.И., Руденко А.И., Вишнивецкий И.Я.
Устройство состоит из резервуара с вмонтированным в нижней части его обогревателем, люка, находящегося на верхней части резервуара, отводной трубы, отходящей от люка и соединяющей резервуар с холодильником через боковой патрубок, расположенный в нижней части кожухотрубного холодильника. Холодильник имеет два патрубка для входа и выхода холодной воды соответственно. В донной части холодильника имеется патрубок для вывода через трубу с краном выделенной из мазута воды. На крышке холодильника имеется выводная труба.
Как указано в описании патента «...при локальном нагреве температура мазутного шлама поднимается до 150-190°С, в результате чего происходит гарантированное отделение воды от мазута и образование паров воды. Пары воды удаляются из мазута в результате испарения» При этом будет также одновременно происходить процесс испарения легких фракций, входящих в состав мазута. Нагретые пары легких фракций мазута являются взрывоопасными. Поэтому пары воды и легких фракций мазута через отводную трубу поступают на вход холодильника, где охлаждаются и конденсируются. Конденсат собирается в донной части холодильника и периодически удаляется через выводной патрубок с краном.
Рассматриваемая полезная модель обладает следующими недостатками. Для нагрева содержимого испарительной цистерны требуется значительная энергия, так как необходимо нагревать большой объем мазута до высокой температуры (порядка 170°С) и поддерживать данную температуру достаточно длительное время. Кроме того, будут иметь место большие тепловые потери с поверхности емкости с подогреваемым мазутом, так как, подогревается емкость, имеет значительные размеры, а подогрев продолжается достаточно длительное время.
Задачей полезной модели является повышение эффективности обезвоживания мазута путем нагрева порции обводненного мазута в закрытой емкости до температуры выше 100°С с последующей ее разгерметизацией.
Задача полезной модели достигается тем, что в известное устройство сепаратор мазута, содержащий клапан подачи обводненного мазута, а также холодильник с отводной трубой в донной части и выводной трубой на крышке холодильника, патрубок для входа и патрубок для выхода холодной воды, кроме того, содержит последовательно соединенные выводной патрубок, установленный в донной части холодильника, и кран спуска выделенной из мазута воды, дополнительно введены последовательно соединенные насос, вход которого подключен к выходу клапана подачи обводненного мазута, входной клапан, нагреватель мазута с нагревательным элементом, термометром и манометром, спускной клапан, расширитель, клапан, подающий насос, цистерна обезвоженного мазута с клапаном выдачи обезвоженного мазута и выходной клапан, выход которого подключен к выходу клапана подачи обводненного мазута, при этом верхняя часть расширителя соединена с входом отводной трубы холодильника, а также продувочный клапан и вакуумный клапан, входы, которых подключены ко второму выходу нагревателя мазута, причем выход продувочного клапана является выходом в атмосферу, а выход вакуумного клапана подключен к отводной трубе.
Существо заявляемой полезной модели заключается в следующем. Порция обводненного мазута подается для подогрева в нагреватель мазута, представляющего собой закрытую емкость. Здесь производится ее подогрев до температуры t°C, которая выше температуры кипения воды при нормальных условиях (100°С). Затем производится сброс содержимого нагревателя мазута в расширитель. В расширителе поддерживается давление близкое к атмосферному, поэтому вода, находящаяся в составе обводненного мазута, поступающего в расширитель, оказывается перегретой на величину t - 100°С. Теплота, соответствующая перегреву воды относительно температуры кипения воды при нормальных условиях, практически мгновенно идет на испарение части воды в составе обводненного мазута (см., например, Павленко A.M., Климов Р.А. Особенности вскипания капель дисперсной фазы эмульсий при изменении температуры несущей среды // журнал «Металлургия, теплотехника», вып. 2(17), 2010, с. 149-156.).
Кроме того, поскольку температура мазута в составе обводненного мазута выше температуры кипения воды на величину перегрева t - 100°С, то также будет происходить передача теплоты от мазута к воде. Этот процесс передачи теплоты будет продолжаться до охлаждения мазута до температуры 100°С. Поскольку, вода в расширителе находится при давлении близком к нормальному и в кипящем состоянии, то практически вся подводимая от охлаждаемого мазута теплота идет на дальнейшее испарение воды в составе обводненного мазута. Очевидно, что чем выше величина перегрева обводненного мазута (t - 100°С), тем большее количество воды испарится из обводненного мазута.
В результате произойдет процесс обезвоживания мазута, поступившего в расширитель. При этом пары воды и испарившихся легких фракций мазута поднимаются вверх и далее поступают в холодильник, где происходит их конденсация, и накопление в донной части холодильника, откуда они периодически удаляются через выводной патрубок с краном. После охлаждения содержимого расширителя до температуры ниже 100°С испарение воды из мазута прекращается и его содержимое выдается в цистерну обезвоженного мазута. Степень обезвоживания мазута зависит от температуры, до которой нагревается обводненный мазут в нагревателе мазу та и требуемую степень обезвоживания мазута можно обеспечить путем подбора этой температуры.
В результате, рассмотренные выше процессы в данной полезной модели, обеспечивают обезвоживание мазута. При этом здесь нет необходимости в мощном источнике теплоты, так как осуществляется подогрев не всего содержимого резервуара обводненного мазута, а только небольшой его части. Кроме того, уменьшаются тепловые потери путем рассеивания, так как размеры закрытой емкости, в которой осуществляется подогрев обводненного мазута не большие. При этом у заявляемой полезной модели появляются новые свойства, заключающиеся в нагреве порции обводненного мазута в закрытой емкости до температуры выше 100°С с последующей ее разгерметизацией, не совпадающие со свойствами, проявляемыми отличительными признаками в известных решениях и не равные сумме этих свойств, обеспечивающее достижение нового положительного эффекта - повышение эффективности обезвоживания мазута.
Краткое описание чертежей
На фиг. приведена схема сепаратора мазута.
Сепаратор мазута, содержит клапан подачи обводненного мазута 1, а также холодильник 16 с отводной трубой 15 в донной части и выводной трубой 19 на крышке холодильника 16, патрубок для входа 17 и патрубок для выхода 18 холодной воды, кроме того содержит последовательно соединенные выводной патрубок 20, установленный в донной части холодильника 16, и кран спуска выделенной из мазута воды 21, а также последовательно соединенные насос 2, вход которого подключен к выходу клапана подачи обводненного мазута 1, входной клапан 3, нагреватель мазута 4 с нагревательным элементом 5, термометром 22 и манометром 23, спускной клапан 8, расширитель 9, клапан 10, подающий насос 11, цистерна обезвоженного мазута 12 с клапаном выдачи обезвоженного мазута 14 и выходной клапан 13, выход которого подключен к выходу клапана подачи обводненного мазута 1, при этом верхняя часть расширителя 9 соединена с входом отводной трубы 15 холодильника 16, а также продувочный клапан 7 и вакуумный клапан 6, входы, которых подключены ко второму выходу нагревателя мазута 4, причем выход продувочного клапана 7 является выходом в атмосферу, а выход вакуумного клапана 6 подключен к отводной трубе 15.
Устройство обезвоживания мазута работает следующим образом.
Вначале открывается продувочный клапан 8 и закрывается вакуумный клапан 6, затем открываются клапан подачи обводненного мазута 1, входной клапан 3 и включается насос 2. В результате порция обводненного мазута насосом 2 через клапан подачи обводненного мазута 1, входной клапан 3 подается в нагреватель мазута 4, представляющего собой закрытую емкость. После заполнения нагревателя мазута 4 до уровня врезки трубопровода с продувочным клапаном 7 (на выходе продувочного клапана 7 появляются капли мазута) закрываются клапан подачи обводненного мазута 1, входной клапан 3, продувочный клапан 7 и вакуумный клапан 6. Затем производится нагрев содержимого нагревателя мазута 4 нагревательным элементом 5 до заданной температуры t°C, которая выше температуры кипения воды при нормальных условиях (100°С). Температура контролируется термометром 22. Температура нагрева задается исходя из степени обводненности мазута - чем выше обводненность, тем выше должна быть температура нагрева. Давление в нагревателе мазута контролируется манометром 23.
После прогрева содержимого нагревателя мазута 4 до заданной температуры открывается спускной клапан 8, затем открывается вакуумный клапан 6. Вакуумный клапан 6 обеспечивает необходимое разрежение в верхней части нагревателя мазута 4 при вытекании из него мазута. В результате все содержимое нагревателя мазута 4 беспрепятственно выходит из него и через спускной клапан 8 поступает в расширитель 9. В расширителе 9 поддерживается давление близкое к атмосферному, поэтому вода, находящаяся в составе обводненного мазута, поступающего в расширитель 9, оказывается перегретой на величину t - 100°С. Теплота, соответствующая перегреву воды относительно температуры кипения воды при нормальных условиях, практически мгновенно идет на испарение части воды в составе обводненного мазута (см., например, Павленко A.M., Климов Р.А. Особенности вскипания капель дисперсной фазы эмульсий при изменении температуры несущей среды // журнал «Металлургия, теплотехника», вып. 2(17), 2010, с. 149-156). Причем, чем выше величина перегрева (t - 100°С), тем большее количество воды испарится из обводненного мазута. Кроме того, поскольку температура мазута в составе обводненного мазута выше температуры кипения воды на величину t - 100°С, то будет происходить передача теплоты от мазута к воде. Этот процесс передачи теплоты будет продолжаться до охлаждения мазута до температуры 100°С и идет существенно медленней по сравнению с выше рассмотренным процессом (см., например, Павленко A.M., Климов Р.А. Особенности вскипания капель дисперсной фазы эмульсий при изменении температуры несущей среды // журнал «Металлургия, теплотехника», вып. 2(17), 2010, с. 149-156).
Поскольку, вода в расширителе 9 находится при давлении близком к нормальному и в кипящем состоянии, то вся подводимая от охлаждаемого мазута теплота идет на дальнейшее испарение воды в составе обводненного мазута. Очевидно, что чем выше величина t - 100°С, тем большее количество воды испарится из обводненного мазута. Таким образом, в расширителе 10 будет происходить быстрый (взрывной) процесс испарения воды из состава мазута за счет теплоты, накопленной водой и гораздо более медленный за счет теплоты, выделяемой охлаждающимся мазутом. Испарение воды из мазута прекращается после охлаждения содержимого расширителя 9 до температуры 100°С. В результате рассмотренных выше процессов происходит обезвоживание мазута. Причем степень обезвоживания зависит от температуры, до которой нагревается обводненный мазут в нагревателе мазута 4 и требуемую степень обезвоживания мазута можно обеспечить путем подбора этой температуры.
Кроме испарения воды одновременно будет идти и процесс испарения наиболее легких фракций из состава мазута. Образующиеся в расширителе 9 пары (воды и легких фракций мазута) поднимаются в верхнюю часть расширителя 9 и по отводной трубе 15 поступают в холодильник 16. Здесь происходит их охлаждение и конденсация за счет холодной воды, поступающей в холодильник 16 через входной патрубок 17. Охлаждающая вода отводится от холодильника 14 через выходной патрубок 18. В результате конденсации в нижней части холодильника 16 будет собираться конденсат. По мере его накопления он удаляется через выводной патрубок 20 с помощью крана спуска выделенной из мазута воды 21.
После охлаждения содержимого расширителя 9 до температуры 100°С (испарение воды из мазута прекращается), открывается клапан 10 и обезвоженный мазут из расширителя 9 подающим насосом 11 выдается в цистерну обезвоженного мазута 12.
После этого повторяются рассмотренные выше операции по заполнению и нагреву нагревателя мазута 4. При нагреве мазута в нагревателе мазута 4 до заданной температуры снова открываются спускной клапан 8, затем вакуумный клапан 6 и все рассмотренные выше операции повторяются. В результате происходит обезвоживание очередной порции мазута. Рассмотренный выше процесс по обезвоживанию порции мазута повторяется многократно. При этом объем обезвоженного мазута (содержимое цистерны обезвоженного мазута 12) возрастает, то есть происходит процесс обезвоживания мазута.
Таким образом, в данной полезной модели обеспечивается обезвоживание мазута. При этом здесь нет необходимости в мощном источнике теплоты, так как осуществляется подогрев не всего содержимого резервуара обводненного мазута, а только небольшой его части. Кроме того, уменьшаются тепловые потери путем рассеивания, так как размеры закрытой емкости, в которой осуществляется подогрев обводненного мазута существенно меньше, чем резервуар обводненного мазута. При этом у заявляемой полезной модели появляются новые свойства, заключающиеся в нагреве порции обводненного мазута в закрытой емкости до температуры выше 100°С с последующей ее разгерметизацией, не совпадающие со свойствами, проявляемыми отличительными признаками в известных решениях и не равные сумме этих свойств, обеспечивающее достижение нового положительного эффекта - повышение эффективности обезвоживания мазута.