СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕУСТОЙЧИВЫХ ЭМУЛЬСИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
SEPARATION OF UNSTABLE EMULSIONS AND DEVICE TO THIS END (VERSIONS)

Изобретение относится к области химической, металлургической и др. промышленности, в частности к технологическим процессам, связанным с разделением несмешивающихся жидкостей различной плотности: при металлообработке (очистке смазочно-охлаждающих жидкостей от избыточных масел), очистке ливневых стоков и др., а также может быть использовано для разделения воды и углеводородов в нефтедобыче, в технологиях утилизации нефтешламов и охраны окружающей среды.
Известен «Способ разделения двух жидкостей с различной плотностью» (А.С. №882549, МПК B01D 17/038, 1981 г.), включающий гравитационное разделение смеси с отводом части тяжелой жидкости, диспергирование легкой жидкости и пропускание диспергированной жидкости через сплошную фазу тяжелой жидкости, смесь жидкостей предварительно подвергают центробежному разделению и дополнительно диспергируют остатки тяжелой жидкости.
Известно «Устройство для разделения двух жидкостей с различной плотностью» (А.С. №882549, МПК B01D 17/038, 1981 г.), содержащее корпус с размещенным в нем диспергатором и патрубки для ввода и вывода потоков, оно снабжено цилиндро-коническим центробежным разделителем с тангенциальным вводом, при этом диспергатор размещен в верхней расширенной части разделителя.
Недостатками известного технического решения являются: сложность процесса, а именно ввод предварительно разделенных фаз, включая гравитационное разделение смеси с отводом части тяжелой жидкости, а затем также ввод предварительно разделенных фаз в слой тяжелого компонента, независимо от состава разделяемой эмульсии, необходимость создания в сепарационной емкости первоначального слоя тяжелого компонента такой высоты, чтобы узел ввода был погружен в этот слой, невысокая интенсивность гравитационного разделения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и взятому в качестве прототипа является изобретение «Способ разделения неустойчивых эмульсий» (Патент РФ №2053008, МПК B01D 17/028, 1996 г.), включающий процессы предварительной центробежной сепарации жидкостей и последующей гравитационной сепарации с движением предварительно разделенных жидкостей навстречу друг другу в вертикальном направлении, а затем в противоположном направлении с отводом фракции, обогащенной легкими компонентами, вверх, а тяжелыми компонентами - вниз.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и взятому в качестве прототипа является изобретение «Устройство разделения неустойчивых эмульсий» (Патент РФ №2053008, МПК B01D 17/038, 1996 г.), содержащее гравитационно-динамический сепаратор, который включает модуль центробежной сепарации и систему перегородок, обеспечивающих течение жидкостей сначала навстречу друг другу, а затем в противоположном направлении в вертикальной плоскости.
3
Недостатками известного технического решения являются конструктивная особенность системы перегородок, не позволяющая производить разделение больших объемов жидкостей (более 20 м/ч), а также конструктивная особенность модуля предварительной центробежной сепарации малого диаметра, ограничивающая скорость движения исходной эмульсии, являясь невысокой, и в связи с этим невозможна подача эмульсии по всей ширине сепаратора, а также малоэффективна предварительная центробежная сепарация, что ухудшает сепарацию и снижает эффективность ее в целом, а отсутствие регулировки выгрузки легкой и тяжелой фракций жидкостей в зависимости от отношения их плотностей также снижает эффективность способа и устройства.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности разделения неустойчивых эмульсий.
Технический результат достигается тем, что в способе разделения неустойчивых эмульсий, включающем процессы гравитационной сепарации с отводом фракции, обогащенной легкими компонентами, вверх, а тяжелыми компонентами - вниз, в сепарационную емкость вводят буферный блок и производят гашение скорости входного потока жидкости, затем распределяют его равномерно по всей ширине сепарационной емкости, при этом вводят тонкослойный отстойник и интенсифицируют процесс разделения на слои - верхний и нижний, соответственно легких и тяжелых фракций жидкости путем отстаивания в тонком слое, а для оптимизации гидрофобной, например углеводородов, и гидрофильной, например воды, сепарации регулируют положение границы раздела между легкой и тяжелой фракциями жидкости с помощью регулировочного устройства, изменяющего уровень выхода тяжелой фракции жидкости в зависимости от отношения плотностей легкой и тяжелой фракций жидкости по формуле:
л
R=h(1-γ),
где R - разность значений высоты перелива тяжелой и легкой фракций жидкости (переменная величина);
л
h - высота слоя легкой фракции жидкости в сепараторе,
γ - отношение плотностей легкой и тяжелой фракций жидкости,
причем оптимально процесс сепарации производят при значении высоты слоя легкой фракции жидкости в сепараторе, соответствующем интервалу 0,3…0,5 от значения общей высоты сепарационной емкости, а для выгрузки механических примесей дно устройства выполняют либо пирамидальным, для удаления механических примесей с помощью насоса, либо на ровное дно устройства устанавливают короба для сбора и удаления механических примесей.
Технический результат достигается тем, что в устройство для разделения неустойчивых эмульсий, включающее гравитационный сепаратор, выгрузной узел для удаления разделенных жидкостей из устройства, в сепарационную емкость введена и установлена буферная емкость, в которой выполнено щелевидное отверстие по всей ширине устройства, с возможностью вытекания по ней жидкости, и введен тонкослойный отстойник, который выполнен из одного или нескольких последовательно установленных модулей, в виде V- или W-образно набранных пластин, для больших объемов обрабатываемых жидкостей, при этом выгрузной узел содержит подвижное корыто и выполнен регулируемым с возможностью изменения высоты отбора тяжелой фракции жидкости при помощи подвижного корыта или при помощи установки проставок различной высоты, а для выгрузки механических примесей дно устройства выполнено пирамидальным, в котором расположена система форсунок для размыва механических примесей.
Технический результат достигается тем, что в устройство для разделения неустойчивых эмульсий, включающее гравитационный сепаратор, выгрузной узел для удаления разделенных жидкостей из устройства, в сепарационную емкость введена и установлена буферная емкость, в которой выполнено щелевидное отверстие по всей ширине устройства, с возможностью вытекания по ней жидкости, и введена система перегородок в сепарационной емкости, выполненная в шахматном порядке и поднятая относительно дна на 150-200 мм, для малых объемов обрабатываемых жидкостей, при этом выгрузной узел содержит подвижное корыто и выполнен регулируемым с возможностью изменения высоты отбора тяжелой фракции жидкости при помощи подвижного корыта или при помощи установки проставок различной высоты, а для выгрузки механических примесей дно сепарационной емкости устройства выполнено плоским, по торцам которого расположены люки.
В сепарационную емкость устройства введена съемная система перегородок, которая выполнена съемной, а на дне сепарационной емкости установлены короба для сбора и удаления механических примесей.
Новым является:
Предложен механизм тонкослойной или коалесцентной, гравитационной, гидрофобной и гидрофильной сепарации, а способ разделения эмульсии включает процессы начального успокоения потока жидкости и последующей подачи его равномерно по всей ширине сепаратора на систему тонкослойных отстойников. При этом сепаратор предварительно заполняется тяжелой жидкостной фракцией, например водой, а в процессе разделения эмульсии в сепараторе образуется второй жидкостный слой, состоящий из легкой жидкостной фракции, например из углеводородов. В совокупности эти два слоя жидкостей обеспечивают гидрофобную и гидрофильную сепарацию. Границу раздела двух сред (воды и углеводородов) устанавливают с помощью регулируемого выгрузного устройства. Заявляемый способ и устройство для его осуществления обеспечивают эффективную очистку как тяжелой фракции, например воды, от легкой, например углеводородов, так и легкой фракции от тяжелой.
Для пояснения технической сущности изобретения рассмотрим чертежи:
На фиг.1 показан общий вид сепаратора; на фиг.2 показана конструкция V- или W-образного тонкослойного отстойника; на фиг.3 показана конструкция регулировочного устройства выгрузного узла тяжелой фракции; на фиг.4 показана система выгрузки механических примесей с помощью коробов; на фиг.5 показан вариант конструкции выгрузного узла тяжелой фракции; на фиг.6 показано пояснение вывода формулы для R, на фиг.7 показана сепарационная емкость с люками по торцам, где: 1 - сепарационная емкость; 2 - буферная емкость; 3 - патрубок; 4 - щелевидное отверстие; 5 - отстойник; 6 - секция для сбора и удаления из сепаратора легкой фракции; 7 - патрубок для удаления очищенных от воды углеводородов; 8 - подвижное корыто; 9 - тяги; 10 - гибкий рукав; 11 - патрубок для удаления очищенной от углеводородов воды; 12 - перегородка; 13 - выгрузной узел; 14 - пирамидальная емкость; 15 - патрубок для слива воды; 16 - система форсунок; 17 - патрубок для подачи воды на систему форсунок; 18 - патрубок для заполнения сепаратора водой; 19 - короба для сбора механических примесей, 20 - патрубок для слива воды; 22 - гайки; 23 - планка; 24 - герметичная емкость; 25 - проставка определенной высоты; 26 - прокладка; 27 - пресса; 28 - легкая фракция; 29 - тяжелая фракция; 30 - система перегородок; 31 - люки для удаления механических примесей.
Сепаратор состоит из сепарационной емкости 1, в которой установлена приемная буферная емкость 2, предназначающаяся для гашения скорости входного потока технологической жидкости, входящей через патрубок 3, а также для равномерного распределения подачи жидкости по всей ширине ГДС. Для улучшения равномерности подачи жидкости приемная буферная емкость 2 снабжена щелевидным отверстием 4 для выхода жидкости. Это щелевидное отверстие выполняется по всей ширине сепарационной емкости 1. По направляющим в сепарационной емкости 1 свободно устанавливаются модули тонкослойных отстойников 5, представляющих собой раму, например, с V- или W-образно набранными пластинами (фиг.2). В зависимости от размеров сепаратора количество этих модулей может быть один или несколько. Тонкослойные отстойники позволяют интенсифицировать процесс удаления примесей воды (углеводородов, механических частиц) путем отстаивания в тонком слое. Сущность метода заключается в ламинаризации потока жидкости, при котором исключается влияние турбулентных потоков. Секция 6 служит для сбора и удаления из сепаратора очищенных от воды углеводородов через патрубок 7. Подвижное корыто 8, положение которого регулируется по высоте с помощью тяг 9 регулировочного устройства (фиг.3), предназначено для сбора очищенной от углеводородов и механических примесей воды и удалении ее посредством гибкого рукава 10 через патрубок 11. При этом положение нижней кромки перегородки 12, определяющее уровень отбора воды на выгрузку из сепаратора, должно располагаться по возможности на нижнем уровне сепарационной емкости 1 с целью отбора воды с наименьшим содержанием углеводородов. Пирамидальная емкость 14 служит для сбора и удаления механических примесей путем откачки их вместе с водой насосом (на схеме не показан) через патрубок 15. Внутри пирамидальной емкости 14 расположена система форсунок 16, которая служит для размыва осадка в случае забивания патрубка 15. Вода на форсунки подается насосом через патрубок 17. Патрубок 18 предназначен для предварительного заполнения сепаратора водой. На фиг.4 представлено устройство, которое отличается системой выгрузки механических примесей. Дно сепаратора выполнено плоским. На ровное дно сепаратора устанавливаются короба 19, которые служат для сбора и удаления механических примесей. Количество коробов может варьироваться от одного до нескольких штук в зависимости от габаритов сепаратора. Патрубок 20 предназначен для слива жидкости из сепаратора.
Работа устройства
Посредством тяг 9, шпилек 21, гаек 22 и планки 23 производится установка корыта 8 в положение, при котором уровень перелива воды в корыто 8 становится ниже уровня перелива углеводородов в секцию 6 на величину R (см. фиг.1). Методика расчета оптимальных значений параметра R приведена ниже.
Производится первоначальное заполнение сепаратора тяжелой жидкостной фракцией (водой) через патрубок 18 до уровня, перекрывающего нижнюю кромку перегородки 12, или до уровня, при котором вода начинает выходить из сепаратора через патрубок 11. Далее через патрубок 3 осуществляется подача исходной эмульсии на разделение. При этом эмульсия первоначально заполняет буферную емкость 2. Далее через щелевидное отверстие 4 в буферной емкости 2 эмульсия равномерно (ламинарно) по всей ширине сепарационной емкости 1 поступает на разделение в модули тонкослойных отстойников 5, где осуществляется разделение эмульсии на легкую (например, углеводороды) и тяжелую (например, вода) жидкостные фракции. Первоначально углеводороды накапливаются в сепарационной емкости 1, вытесняя излишнее количество воды из сепарационной емкости 1 через перегородку 12, посредством корыта 8, гибкого рукава 10 и патрубка 11. После того как уровень углеводородов в сепарационной емкости 1 достигнет уровня верхней кромки секции 6, углеводороды начинают заполнять эту секцию и удаляться из сепаратора через патрубок 7, который связан с секцией 6. При этом в сепарационной емкости 1 полностью формируются два жидкостных слоя: верхний, состоящий из углеводородов, - гидрофобный и нижний, состоящий из воды, - гидрофильный. Уровень положения границы раздела жидкостных фракций зависит от плотностей воды и углеводородов и от уровня перелива воды в корыто 8. Из Фиг.1 видно, что уровень перелива воды в корыто определяется параметром R, оптимальные значения которого определяются по формуле:
л
R=h(1-γ),
л
л
где h - высота слоя легкой жидкостной фракции в сепараторе (например, углеводородов), γ - отношение плотности легкой и тяжелой фракции (например, воды) жидкости. Экспериментально установлено, что оптимально процесс сепарации происходит, когда значение h соответствует интервалу 0,3…0,5 от значения высоты сепарационной емкости 1, т.е. в нашем случае граница раздела жидкостных фракций будет проходить посередине модуля тонкослойного отстойника или несколько выше. Более точное значение параметра R определяют экспериментально для каждого типа жидкостей в ходе эксплуатации сепаратора.
В процессе работы сепаратора механические примеси накапливаются в пирамидальной емкости 14 и удаляются через патрубок 15 насосом (на схеме не показа) вместе с водой. В случае забивания патрубка 15 механическими примесями производится их размыв водой посредством системы форсунок 16. Вода на форсунки подается насосом (на схеме не показа) через патрубок 17.
Принцип работы устройства по фиг.4. Выгрузку механических примесей из устройства производят следующим образом: устройство предварительно освобождается от жидкостей через патрубок 20, далее из устройства с помощью подъемно-транспортного механизма (на схеме не показан) удаляются модули тонкослойных отстойников 5, а затем с помощью подъемно-транспортных механизмов из устройства удаляются короба 19 с осадившимися в них механическими примесями.
Рассмотрим вариант конструкции регулировочного устройства для изменения значений параметра R. Этот параметр определяет разность значений уровней перелива углеводородов и воды.
Ни фиг.3 изображена конструкция регулировочного устройства. Здесь 8 - подвижное корыто, 9 - тяги, которые жестко соединены с корытом 8 и планкой 23, 21 - шпильки, которые жестко закреплены на корпусе сепарационной емкости 1, 22 - регулировочные гайки, 10 - гибкий рукав. Перемещение корыта 8 в вертикальной плоскости осуществляется с помощью регулировочных гаек 22. Регулировку можно осуществлять по параметру H, который связан линейно с параметром R. Преимуществом данной конструкция является простота регулировки, которая производится без снятия верхних крышек сепаратора, а также тот факт, что резьбовые пары не контактируют с жидкостями и не подвергаются тем самым коррозии.
В случае нецелесообразности использования гибких рукавов, например, при высоких значениях температуры жидкостей возможно осуществление регулировки высоты перелива воды с помощью набора проставок различной высоты (фиг.5). Здесь 24 - герметичная емкость, через которую насквозь проходит патрубок 7 для удаления легкой жидкостной фракции из секции 6, 25 - проставка определенной высоты, 26 - прокладка. Для герметизации конструкции проставка сверху прижимается прессами 27. Прессы 27 могут устанавливаться на съемной поперечине (на схеме не показана). Тяжелая жидкостная фракция (вода) поднимается до уровня верхний кромки проставки 25, поступает в герметичную емкость 24 и удаляется через патрубок 11. Для разделения жидкостных фракций, имеющих различные плотности, необходимо иметь набор проставок различной высоты. Преимуществом данной конструкции является высокая надежность ввиду отсутствия гибких рукавов.
На фиг.6 дана схема, поясняющая вывод формулы для R.
Здесь 28 и 29 - соответственно легкая и тяжелая жидкостные фракции,
где R - разность значений высоты перелива тяжелой и легкой фракций жидкости (переменная величина),
л
h - толщина слоя легкой фракции (переменная величина, зависит от плотности легкой фракции и установленного значения R),
т
л
h - толщина слоя тяжелой фракции под слоем легкой фракции (переменная величина, зависит от значения h),
т
H - высота слоя тяжелой фракции (переменная величина зависти от установленного значения R).
Имеем:
л
т
где ρ и ρ - плотности соответственно легкой и тяжелой фракций жидкости.
Очевидное соотношение из фиг.6:
л
т
(h+h=K, где K - const. - фиксированная величина для конкретного сепаратора).
Из (1) имеем:
л
т.
где γ=ρ/ρ
Из (2) имеем:
т
т
л
H-h=h-R
л
т
т
R=h-(H-h).
Из (3) имеем
т
т
л
H-h=hx γ,
тогда
л
л
R=h-hx γ.
Отсюда окончательно имеем:
л
R=h(1-γ).
3
3
Пример конкретного выполнения устройства. Заявляемая установка предназначена для разделения смеси воды, нефтепродуктов, твердых частиц, получаемых в результате размыва содержимого нефтешламового бассейна. Для этого берем установку с объемом сепаратора=25 м. Жидкость подается на вход в сепаратор винтовым насосом. Заявляемая конструкция установки при таком объеме позволяет обеспечить эффективность разделения неустойчивой эмульсии до 50 м/ч. На входе в сепаратор:
содержание углеводородов в эмульсии - 70%,
содержание концентрации твердых частиц - не более 1%,
остальное - вода.
3
3
Для повышения качества разделения эмульсии производят подогрев эмульсии до 80°C, при плотности воды 1,00…1,05 г/см, плотности углеводородов 0,90…0,93 г/см. При других видах эмульсий подогрев не обязателен. В результате разделения эмульсий на выходе из сепаратора имеем:
содержание углеводородов в воде не более 50 мг/л;
содержание воды в углеводородах - не более 1%;
содержание примесей в воде - не более 100 мг/л.
Предлагаемый «Способ разделения неустойчивых эмульсий и устройство для его реализации» по сравнению с известными аналогами обеспечивает эффективность процесса разделения неустойчивых эмульсий при больших объемах жидкостей, а также при близких значениях плотностей их фракций за счет введения буферной емкости, тонкослойного отстойника и регулировочного устройства, который позволяет оптимизировать положение границы раздела двух фракций, что одновременно обеспечивает очистку двух жидкостей друг от друга, например воды от нефти и нефти от воды, и их раздельную выгрузку.