УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ И СТОЧНЫХ ВОД
DEVICE FOR PURIFYING OIL-CONTAINING WASTE WATER

Изобретение относится к очистке сточных вод и может быть использовано для выделения из них различных примесей, например нефтепродуктов.
Известно устройство для очистки нефтесодержащих сточных вод, содержащее герметичный резервуар с установленной в нем напорной распределительной трубой, выполненной с отверстиями, обращенными к поверхности жидкости, снабженное заглубленными в воду насадками и установленными соосно напорной трубе отбойником в виде короба с патрубком, размещенным под насадками, и двумя установленными один над другим периферийными карманами, нижний из которых соединен трубопроводом с отбойником (SU №996332, МКИ С02F 1/00, 1981).
Недостаток этого решения - неудовлетворительная степень очистки нефтесодержащих сточных вод из-за низкой степени их аэрирования.
Известно также устройство для очистки нефтесодержащих и сточных вод, содержащее емкость, разделенную на сообщающиеся в верхней части накопительную и флотационную зоны, в последней из которых размещен кожух, полость которого сообщена с источником сжатого воздуха и снабжена подводящей трубой, сообщенной с хранилищем очищаемой жидкости, при этом накопительная зона емкости сообщена с герметичным баком, снабженным средством вакууммирования, нагревателем, размещенным над дном бака, разделенным на накопительную и флотационную зоны, сообщающиеся в верхней части, кроме того, емкость и бак снабжены средствами отвода сфлотированного материала и емкостями для его сбора (см. патент на ПМ №72965, МКИ С02F 1/40, 2006).
Недостатком этого решения также является то, что степень насыщения очищаемой воды воздухом ограничивается давлением воздуха в зоне аэрирования, т.е. для повышения степени насыщения необходимо повышать давление в названной зоне, что не всегда целесообразно по конкретным технико-технологическим условиям на месте очистки, поэтому зачастую приходится ограничиваться условиями, диктуемыми рабочими параметрами имеющихся источников сжатого воздуха. Это, в свою очередь, не позволяет обеспечить удовлетворительную степень очистки нефтесодержащих сточных вод от тонкодисперсных примесей равномерно распределенных по их объему из-за недостаточно высокого качества аэрирования их объема (степени насыщения, равномерности распределения воздушных пузырьков по объему вод и их дисперсности). При этом в связи с малыми размерами пузырьков воздуха (что характерно для очистки вакууммированием) скорость флотации, определяемая скоростью их всплытия, невысока, что предопределяет невысокую производительность устройства.
Задача, на решение которой направлено заявленное решение, заключается в повышении степени аэрирования объема сточных вод и повышении производительности устройства при очистке вакууммированием нефтесодержащих и сточных вод от тонкодисперсных примесей, равномерно распределенных по их объему.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в организации процесса подачи дополнительного объема аэрируемого воздуха и повышении эффективности процесса насыщения вод воздухом, поскольку эжектируется воздух, находящийся под избыточным давлением в кратере поверхностного слоя жидкости относительно давления в подвижном кожухе, что обеспечивает повышение степени аэрирования и качества очистки и в обеспечении возможности интенсивного теплового и гидродинамического воздействия (обеспечивающего устойчивое парообразование) на поток жидкости, с формированием в них паровых зон, обеспечивающих формирование в объеме жидкости дополнительных поверхностей раздела фаз пар-жидкость, для сбора тонкодисперсных пузырьков воздуха с прилипшими к ним тонкодисперсными частицами примесей, что приводит к повышению скорости флотации, определяемой скоростью их всплытия, что предопределяет повышение производительности устройства.
Поставленная задача решается тем, устройство для очистки нефтесодержащих и сточных вод, содержащее емкость, разделенную на сообщающиеся в верхней части накопительную и флотационную зоны, в последней из которых размещен кожух, полость которого сообщена с источником сжатого воздуха и снабжена подводящей трубой, сообщенной с хранилищем очищаемой жидкости, при этом накопительная зона емкости сообщена с герметичным баком, снабженным средством вакууммирования, нагревателем, размещенным над дном бака, разделенным на накопительную и флотационную зоны, сообщающиеся в верхней части, кроме того, емкость и бак снабжены средствами отвода сфлотированного материала и емкостями для его сбора, отличается тем, что кожух выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси, его свободный конец выполнен конфузорным, при этом подводящая труба размещена в полости дополнительного кожуха, ее нижний участок заключен в рубашку, выполненную в виде стакана, открытого снизу, причем и дополнительный кожух и рубашка выполнены с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси, кроме того, срез дополнительного кожуха размещен на уровне кромки рубашки с зазором над уровнем очищаемой жидкости в полости кожуха, при этом кромка рубашки снабжена кольцевым отгибом в полость дополнительного кожуха, выполненным в виде кольцевого желоба, причем вертикальная стенка рубашки снабжена рядами сквозных отверстий, выполненных по периметру рубашки, кроме того, верхний ряд отверстий размещен у верхнего торца рубашки, а нижний ряд отверстий размещен у ее кромки на уровне кольцевого желоба, кроме того, полость дополнительного кожуха сообщена с источником сжатого воздуха, при этом флотационная зона герметичного бака разделена на, по меньшей мере, два вертикальных щелевых канала посредством стенок, каждая из которых сформирована из, по меньшей мере, двух расположенных друг над другом плоскоовальных нагревательных элементов, сообщенных с источником греющего теплоносителя, между которыми размещены вставки, ширина которых равна ширине плоскоовальных нагревательных элементов, при этом вдоль центральной части верхней и нижней впадин вставки выполнен продольный желобок, а остальная поверхность впадин плотно прилегает к обращенным к ним поверхностям плоскоовальных нагревательных элементов, причем полость продольного желобка сообщена с вертикальным щелевым каналом, по меньшей мере, двумя канавками, кроме того, полости продольных желобков сообщены друг с другом посредством сквозного вертикального канала. При этом вставки выполнены из фторопласта. Кроме того, поверхность дна продольного желобка параллельна остальной поверхности впадин вставки.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".
При этом признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение комплекса функциональных задач.
Признаки, указывающие на « возможность вертикального осевого перемещения» кожуха, дополнительного кожуха и подводящей трубы, позволяют изменять давление воздуха в кожухе на рабочих режимах, а также геометрические параметры струи рабочей жидкости и воздушного кратера на поверхности жидкости.
Признак «конец кожуха выполнен конфузорным…» позволяет повысить скорость водовоздушной струи и тем самым повысить ее эжектирующие свойства. Кроме того, исключается образование зон рециркуляции водовоздушной струи между осью и кромкой кожуха, поскольку объем вод, введенных ею сразу, оказывается во «флотирующей» зоне.
Признак «…подводящая труба размещена в полости дополнительного кожуха…» обеспечивает перемещение потока жидкости на выходе из сопла подводящей трубы в «оболочке из сжатого воздуха», тем самым решаются проблемы соосности потока жидкости и воздушного кратера.
Признаки, указывающие на то, что «нижний участок дополнительного кожуха заключен в рубашку, выполненную в виде стакана, открытого снизу… кроме того, срез дополнительного кожуха размещен на уровне кромки рубашки, с зазором над уровнем очищаемой жидкости в полости кожуха», обеспечивают повышение давления в потоке воздушной среды при соударении с поверхностью очищаемой жидкости и формировании воздушного кратера, а также повышается интенсивность взаимодействия поверхностных слоев струи рабочей жидкости с воздушным потоком, чем обуславливается интенсивное внедрение воздуха в объем очищаемой жидкости эжектируемой водяной струей.
Признаки «кромка рубашки снабжена кольцевым отгибом в полость дополнительного кожуха, выполненным в виде кольцевого желоба, причем вертикальная стенка рубашки снабжена рядами сквозных отверстий, выполненных по периметру рубашки, кроме того, верхний ряд отверстий размещен у верхнего торца рубашки, а нижний ряд отверстий размещен у ее кромки на уровне кольцевого желоба…» обеспечивают проход воздуха из полости дополнительного кожуха в полость рубашки и исключают вакууммирование цилиндрической полости между внутренней поверхностью рубашки и внешней поверхностью подводящей трубы.
Признак «…полость дополнительного кожуха сообщена с источником сжатого воздуха…» обеспечивает подвод сжатого воздуха в дополнительный кожух и формирование воздушного кратера с избыточным давлением воздуха в поверхностном слое очищаемой жидкости.
Признаки «…флотационная зона герметичного бака разделена на, по меньшей мере, два вертикальных щелевых канала посредством стенок, каждая из которых сформирована из, по меньшей мере, двух расположенных друг над другом плоскоовальных нагревательных элементов…» обеспечивают разделение поперечного сечения флотационной зоны на несколько «обогреваемых» вертикальных каналов, тем самым обеспечивается возможность интенсивного теплового воздействия (обеспечивающего устойчивое парообразование) на поток жидкости, с формированием в них паровых зон, обеспечивающих формирование в объеме жидкости дополнительных поверхностей раздела фаз пар-жидкость, для «сбора» тонкодисперсных пузырьков воздуха с прилипшими к ним тонкодисперсными частицами примесей.
Указание на выполнение «стенок» «из, по меньшей мере, двух расположенных друг над другом плоскоовальных нагревательных элементов» обеспечивает «гладкость» вертикальных каналов, минимизируя их гидродинамическое сопротивление.
Признаки «…между которыми размещены вставки, ширина которых равна ширине плоскоовальных нагревательных элементов…» также обеспечивают «гладкость» вертикальных каналов, минимизируя их гидродинамическое сопротивление.
Признаки «…, вдоль центральной части верхней и нижней впадин вставки выполнен продольный желобок, а остальная поверхность впадин плотно прилегает к обращенным к ним поверхностям плоскоовальных нагревательных элементов, причем полость продольного желобка сообщена с вертикальным щелевым каналом, по меньшей мере, двумя канавками,…» обеспечивают устойчивое парообразование в «тонкопленочных слоях» заполняющей их жидкости»,
Признаки «…полости продольных желобков сообщены друг с другом посредством сквозного вертикального канала…» обеспечивают беспрепятственный выход образовавшегося пара из зазоров, обращенных выпуклостью вверх.
Признаки второго дополнительного пункта формулы изобретения конкретизируют материал вставок.
Признак «…поверхность дна продольного желобка параллельна остальной поверхности впадин вставки» направлен на уменьшение гидравлического сопротивления парогенерирующей зоны и обеспечение устойчивого генерирования паровой фазы в ней даже при низких плотностях теплового потока на поверхностях плоскоовальных нагревательных элементов.
На фиг.1 схематически показан поперечный разрез устройства;
на фиг.2, 3 и 4 - узлы А, В и С этого устройства, и на фиг.5 представлен разрез флотационного отсека герметичного бака.
Устройство для очистки нефтесодержащих сточных вод содержит емкость (атмосферный резервуар) 1, подводящую трубу 2 с сопловым насадком 3, кожух 4, конец 5 которого выполнен конфузорным, отбойник 6, флотирующий отсек 7 с открытыми верхними кромками, зазор между стенками отбойника 6 и внешними стенками резервуара 1, являющийся накопительным отсеком 8 резервуара 1. Кожух 4 выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль продольной оси в отбойнике 6 и крепится в рабочем положении по высоте резьбовыми зажимами 9, установленными на крышке 10 атмосферного резервуара 1. Внутри кожуха 4 размещены центрирующие радиальные косынки 11 с центрирующими кольцами 12, в которых установлен дополнительный кожух 13 с возможностью вертикального осевого перемещения относительно кожуха 4. Его крепление в рабочем положении осуществляют уплотнительным воротником 14, установленным на верхней крышке 15 кожуха 4. Здесь же смонтирован воздушный патрубок с дроссельно-запорным клапаном 16, регулирующий давление воздуха соответственно в кожухе 4 и дополнительном кожухе 13 на рабочих режимах. Внутри дополнительного кожуха 13 размещена подводящая труба 2 рабочей жидкости с возможностью вертикального осевого перемещения. Ее крепление в рабочем положении осуществляют уплотнительным узлом 17 на верхнем днище дополнительного кожуха 13. Нижний участок подводящей трубы 2 заключен в рубашку 18, конец которой выполнен в виде конфузорного насадка 19. Рубашка 18 имеет возможность осевого перемещения вдоль трубы рабочей жидкости 2 и крепится на ней резьбовым узлом 20. Между цилиндрической частью рубашки 18 и конфузорным насадком 19 установлен кольцевой желоб 21. Над верхней плоскостью кольцевого желоба 21 и под резьбовым узлом 20 в вертикальной стенке рубашки 18 по периметру выполнены сквозные отверстия 22. Сквозные отверстия 22, расположенные над верхней плоскостью кольцевого желоба 21, обеспечивают напорный вход воздуха из полости дополнительного кожуха 13 в полость рубашки 18, а сквозные отверстия 22, под резьбовым узлом 20, обеспечивают выход воздуха из полости рубашки 18 в полость дополнительного кожуха 13, что обусловливает встречное движение кольцевого слоя воздуха и напорной рабочей струи жидкости. Возможность осевого перемещения рубашки 18 относительно трубы 2 рабочей жидкости и дополнительного кожуха 13 позволяет изменять длину стабилизированного потока жидкости, истекающей из соплового насадка 3. Центрирование рубашки 18 относительно дополнительного кожуха 13 и трубы рабочей жидкости 2 выполнено установкой центрирующих колец и косынок внутри кожуха 13, аналогично кожуху 4. Срез дополнительного кожуха 13 размещен на уровне конфузорного насадка 19 рубашки 18 подводящей трубы 2, кромка которого размещена на расстоянии от кромки выпускного отверстия кожуха 4. Кроме того, полость дополнительного кожуха 13 сообщена с источником 23 сжатого воздуха. Возможность вертикального осевого перемещения кожуха 4, дополнительного кожуха 13 и подводящей трубы 2 позволяет изменять давление воздуха в кожухе 4 на рабочих режимах, а также геометрические параметры струи рабочей жидкости и воздушного кратера на поверхности жидкости.
Полости кожуха 4 и дополнительного кожуха 13 подключены к источнику сжатого воздуха - компрессору (на фиг.1 не показан).
Накопительная зона 8 емкости 1 связана трубопроводом 43 с герметичным баком 27, выполненным в виде отдельной емкости с вертикальной отбойной перегородкой 28, разделяющей его на флотационный 29 с открытыми верхними кромками и накопительный 30 отсеки (зазор между стенками отбойника 28 и внешними стенками герметичного бака 27). В нижней части герметичного бака 27 расположена распределительная камера 31, полученная установкой поперечной перегородки 32, ограниченная вертикальной отбойной перегородкой 28. Распределительная камера 31 переходит во флотационный отсек 29. В распределительной камере 31 смонтирован теплообменник 33 для нагрева воды, прошедшей ступень флотации при атмосферном давлении. Температура нагреваемой воды доводится до температуры насыщения, соответствующей давлению в паровоздушном пространстве над слоем пены 34 в герметичном баке 27.
Во флотационном отсеке 29 смонтированы плоскоовальные нагревательные элементы 35, скомпонованные в вертикальные панели. Между плоскоовальными нагревательными элементами 35, образующими вертикальные щелевые каналы 36, установлены профильные вставки 37, изготовленные из фторопласта, состоящие из левой и правой симметричных частей, плотно прилегающих к овальным зонам плоскоовальных нагревательных элементов 35. Концевые участки левой и правой симметричных частей вставок 37 также плотно прилегают друг к другу. Ширина профильных вставок 37 равна ширине плоскоовальных нагревательных элементов 35. Вдоль центральной части верхней и нижней впадин профильной вставки 37 выполнен продольный желобок 38, а остальная поверхность впадин плотно прилегает к обращенным к ним поверхностям плоскоовальных нагревательных элементов 35, причем полость продольного желобка 38 сообщена с вертикальным щелевым каналом 36 канавками 39. Канавки 39 расположены по длине профильных вставок 37, их количество определяется интенсивностью парообразования на поверхностях плоскоовальных нагревательных элементов в зоне продольных желобков 38. Поверхность дна продольного желобка 38 параллельна остальной поверхности впадин профильной вставки 37. Кроме того, полости продольных желобков 38 сообщены друг с другом посредством вертикального канала 40, образованного вертикальными стенками симметричных половин профильных вставок 37, длина которого ограничена зоной плотного прилегания симметричных половин вставок 37 на их концевых участках. Вертикальный канал 40 обусловливает проход жидкости и части паровой фазы из нижерасположенных продольных желобков 38 в верхние.
Плоскоовальные нагревательные элементы 35 замыкаются на входной и выходной коллекторы 41 греющей среды. Герметичный бак 27 и атмосферный резервуар 1 снабжены соответственно приемными емкостями 42 и 26 сбора сфлотированного продукта. Кроме того, на чертежах показаны отводные патрубки 24 и 25 атмосферного резервуара 1. Отводной патрубок 24 атмосферного резервуара 1 обеспечивает отвод сфлотированного продукта (пены), размещен на стенках резервуара 1 на уровне, соответствующем уровню жидкости в нем, а отводной патрубок 25 осуществляет отвод сфлотированного продукта в камеру 26, а также показаны трубопровод 43, отводной 44 и воздушный 45 патрубки, патрубок 46 для отвода очищенной воды и дренажный патрубок 47 герметичного бака 27.
Перечисленные элементы и детали не отличаются по конструкции и материалам от известных элементов и деталей, используемых по сходному назначению, при сходных требованиях по прочности, производительности и т.п.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Рабочие параметры в устройстве доводят до номинала, а именно флотирующий отсек 7 и атмосферный резервуар (емкость 1) заполняют водой до верхних кромок стенок отбойника 6 (целесообразно на этапе запуска использовать очищенную воду).
Подвижный кожух 4 погружают в жидкость на глубину, соответствующую рабочему давлению воздуха в кожухе 4 в процессе аэрации. При этом расположенный в кожухе 4 подвижный дополнительный кожух 13 в сборе с трубой 2 и рубашкой 18 устанавливают по высоте с зазором, между нижним срезом кожуха 13 и конфузором 5 кожуха 4, определяемым режимными параметрами процесса. Рубашку 18 предварительно устанавливают на подводящей трубе 2 с соответствующим зазором среза сопла 3 и среза конфузорного насадка 19 для обеспечения соответствующей рабочему режиму длины стабилизированного участка истекающей струи из сопла 3.
Подают воздух по трубопроводу 23 в кожух 4 при закрытом клапане подачи воздуха на линии 23 в дополнительный кожух 13, вытесняя воду из флотирующего отсека 7 в накопительный 8, с последующим переливом по отводящему патрубку 25 в камеру сфлотированного продукта 26 с последующим ее дренированием. При этом рабочий уровень жидкости в кожухе 4 устанавливается над конфузором 5 кожуха 4, обеспечивая высоту слоя между нижним основанием конфузора и свободной поверхностью жидкости порядка 50-80 мм в зависимости от режимных параметров процесса. Затем подают воздух в дополнительный кожух 13, обеспечивая формирование воздушного кратера определенных геометрических параметров в поверхностном слое жидкости в кожухе 4 и регулируют рабочее давление в кожухе 4 путем дросселирования воздуха через дроссельно-запорный клапан 16 с контролем рабочего давления по манометру в верхней части кожуха.
Подают рабочую жидкость по трубе 2 и регулируют рабочие параметры в установке, доводя до номинала, при соответствующих рабочих давлениях воздуха (в пределах 1-2 ата) в кожухе 4.
Воздушная струя, выходящая из нижнего основания дополнительного кожуха 13, формирует на поверхности воды в кожухе 4 воздушный кратер, представляющий собой параболоид вращения, глубина и диаметр которого зависят от скорости воздушной струи, вытекающей из основания дополнительного кожуха 13. В кратер с высокой скоростью из сопла 3 трубы 2 подается струя рабочей жидкости, взаимодействующая с криволинейной поверхностью дна кратера и эжектирующая воздух с повышенным давлением, осуществляя процесс аэрации.
Возможность осевого вертикального перемещения кожуха 4, подводящей трубы 2 и дополнительного кожуха 13 позволяет изменять геометрические параметры истекающей струи, кратера и изменять степень аэрирования жидкости на рабочих режимах.
Избыточное давление воздуха в кратере в поверхностном слое жидкости, обусловленное дополнительной воздушной струей кожуха 13, обеспечивает повышенную эжектирующую способность водяной струи, вытекающей из соплового насадка 3.
Очищенную на первом этапе воду подают по трубопроводу 43 в распределительную камеру 31 герметичного бака 27. Здесь очищаемые воды проходят по тепловоспринимающему контуру теплообменника 33 и нагреваются теплотой низкопотенциальных сред (например, водой системы охлаждения двигателей, отработанным паром и т.д.) до температуры, близкой к температуре кипения, соответствующей давлению насыщения над свободной поверхностью жидкости в баке 1 (для справки: при Р=0,006 МПа; tc=36°C).
При температуре греющей среды 80-90°С (например, вода из системы охлаждения двигателей внутреннего сгорания) в продольных желобках 38 профильных вставок 37 создается устойчивый режим кипения вследствие достаточного перегрева пристенных слоев жидкости относительно температуры насыщения жидкости в объеме флотационного отсека 29. Паровая фаза выходит в объем жидкости вертикальных каналов 36 через канавки 39 профильных вставок 37, образуя устойчивые центры кипения и парообразования на поверхности плоскоовальных нагревательных элементов 35.
Паровые пузыри располагаются по центру вертикальных каналов 36, обеспечивая интенсивный сброс в них мелкодисперсной воздушной среды и сфлотированных примесей. В процессе всплытия и роста паровых образований по высоте вертикальных каналов 36 образуются устойчивые паровые зоны, создающие внутри жидкости дополнительные поверхности раздела пар-жидкость.
В итоге увеличение массового газо-парового содержания жидкости приводит к интенсивному подъемному движению в вертикальных щелевых каналах 36, что обусловливает значительную интенсификацию процессов вакуумной флотации с глубокой очисткой от коллоидных растворов, ароматических фракций и мелкодисперсных нерастворенных примесей.
Совместное выделение коллоидных и мелкодисперсных включений на поверхности раздела фаз в объеме жидкости вертикальных каналов 36 и дополнительное выделение мелкодисперсных включений на поверхности герметичного бака 27 в виде слоя пены 34 ведет к интенсификации процесса флотации в сравнении с обычным вакуумным режимом флотации жидкостей.
Слой пены 34, содержащий сфлотированные примеси, периодически удаляют известным способом через отводные патрубки 44. Пары нефтепродуктов и воды удаляют через воздушный патрубок 45 герметичного бака 27, в процессе работы вакуум-насоса, после чего они известным образом отделяются от воздуха и разделяются друг от друга (либо сбрасываются в нефтесодержащие воды, подлежащие очистке). Очищенная вода, как более плотная среда, увлекается вниз ко дну герметичного бака 27, при этом вертикальная отбойная перегородка 28 предотвращает попадание примесей в очищенную воду в процессе ее движения вниз, к патрубку 46 герметичного бака 27. Для периодической очистки дна герметичного бака 1 от накапливающегося шлама используют дренажные патрубки 47.
Конечная степень очистки воды, обрабатываемой в предлагаемом устройстве, достигает 99,2%, что указывает на целесообразность применения предлагаемого устройства.