EA002306B1 - Нефтеводяной центробежно-фильтрующий сепаратор - Google Patents

Abstract

Изобретение предназначено для очистки нефтесодержащих вод промышленных предприятий, нефтепромыслов, судовых льяльных (подсланевых) и балластных вод. Сепаратор позволяет увеличить глубину извлечения из объёма воды диспергированных нефтепродуктов путем организации гидродинамического режима течения очищаемой воды с сохранением эффективности очистки в присутствии синтетических поверхностно-активных веществ. Сепаратор обеспечивает создание поля центробежных сил при движении воды снизу-вверх по спирали в цилиндрической части гидроциклона, очистку воды в гравитационном отстойнике-нефтесборнике, доочистку в кассете фильтрацией в гранулированном термонапряженном наполнителе крупной фракции при движении воды сверху-вниз, а затем очистку воды в гравитационном отстойнике с последующей фильтрацией в гранулированном термонапряженном наполнителе мелкой фракции корпуса и днища при движении воды сверху - вниз. Фильтрация доочищаемой воды в корпусе производится с отводом тепла через вертикально-радиальные ребра, удерживающие гидроциклон в центре корпуса сепаратора, металлоконструкции корпуса и днище при прохождении ее через поровые каналы между термически закаленными шариками из металла, стекла или керамики.

Description

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для очистки нефтесодержащих вод промышленных предприятий, очистных станций, а также судовых льяльных (подсланевых) и балластных вод.

Наиболее близким к предлагаемому является нефтеводяной фильтрующий сепаратор, содержащий корпус с днищем и крышкой с воздушным клапаном и патрубками, кассету, размещенную в вверхней части корпуса, гранулированный наполнитель в виде термически закаленных шариков, расположенный во внутреннем объёме корпуса, днища и кассеты, верхний гравитационный отстойник-нефтесборник, нижний гравитационный отстойник, патрубки подвода очищаемой воды, подачи промывочной воды и продувочного воздуха и патрубки удаления грязи (Патент РФ № 2089261 от 10.09.97 г.).

Данная конструкция не обеспечивает большой глубины извлечения из объёма очищаемой воды диспергированных нефтепродуктов, а в случае использования сепараторов на судах, при качке, гранулированный наполнитель будет перемещаться, что приведёт к ухудшению очистной способности сепаратора, кроме того, в процессе эксплуатации пароводяной змеевиковый подогреватель будет быстро обрастать накипью, тяжелыми фракциями нефтепродуктов, а очистка его представляет большие технические проблемы.

Целью настоящего изобретения является повышение очистной способности сепараторов, обеспечивающее сброс очищенной воды в акваторию портов и территориальных вод, рек и озёр без применения доочищающих устройств, устранение вышеотмеченных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что в нефтеводяной центробежно-фильтрующий сепаратор, содержащий корпус с днищем и крышкой с воздушным клапаном и патрубками, кассету, размещенную в верхней части корпуса, гранулированный наполнитель в виде термически закаленных шариков, расположенный во внутреннем объёме корпуса, днища и кассеты, верхний гравитационный отстойникнефтесборник, нижний гравитационный отстойник, патрубки подвода очищенной воды, подачи промывочной воды и продувочного воздуха и патрубки удаления грязи, введены гидроциклон и сборный коллектор очищенной воды, гидроциклон выполнен в виде соединенных между собой цилиндрической и конусной частей, расположен вдоль вертикальной оси корпуса и закреплен на нём посредством вертикальных радиальных ребер, с цилиндрической частью гидроциклона по касательной к окружности соединен патрубок подачи очищаемой воды в виде сопла, который связан с винтовой направляющей, закрепленной внутри цилиндрической части гидроциклона в районе патрубка подачи очищенной воды. Конусная часть гидроциклона соединена с патрубком удаления грязи. Сбор ный коллектор очищенной воды выполнен в виде разветвленной в горизонтальной плоскости системы взаимосвязанных труб, с вертикальными, расположенными в определенной последовательности отрезками труб, на нижнем конце каждого из которых установлен фильтр. Кассета выполнена в виде шайбы с отверстием в центре и снабжена верхним и нижним дисками, верхний диск выполнен перфорированным продольными щелями или сеткой, а нижнийперфомированным в определенном порядке крупными отверстиями, над которыми установлены фильтры. Внутренний объём кассеты на 0,8:0,9 высоты заполнен наполнителем крупной фракции, а в днище расположена камера дренажа и снятия избыточного давления, овразованная диском с отверстиями, в которых установлены колпачково-проволочные или колпачковощелевые фильтры, и нижней частью днища. В камере дренажа и снятия избыточного давления установлено устройство защиты от коррозии. Фильтры отрезков труб сборного коллектора и нижнего диска кассеты выполнены или колпачково-проволочные, или колпачково-щелевые, или конусно-щелевые. Колпачково-проволочный фильтр выполнен в виде колпачка с продольными щелями и нарезанной резьбой на цилиндрической поверхности, в канавках которой на расстоянии 4/5-5/6 диаметра шарика гранулированного наполнителя намотана проволока. Шарики гранулированного наполнителя выполнены из металла, стекла или керамики.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство очистки от жидких нефтепродуктов обеспечивает создание центробежных сил при движении ее снизу-вверх, отстой в поле гравитационных сил и последующую ее фильтрацию сверху-вниз через термонапряженные гранулы крупной фракции кассеты с последующем повторным отстоем и поле гравитационных сил и окончательной фильтрации воды сверхувниз через гранулы отфильтрованного материала в хорошо ламинизированном режиме течения доочищаемой воды через паровые каналы между гранулами фильтрующего материала корпуса сепаратора, представляющего собой термически закаленные шарики из металла, стекла и керамики с одновременньм отводом тепла через радиальные ребра гидроциклона и металлоконструкции корпуса и днища в атмосферу.

Подогретая предварительно вода с нефтепродуктами через патрубок ввода очищаемой воды гидроциклона, выполненного в виде сопла, по касательной к окружности цилиндрической части, поступает в винтовую направляющую, где закручивается, создавая поле центробежных сил, при котором дисперсионная среда - вода, грязь оттесняются к цилиндрической поверхности, а дисперсная среда (нефтепродукт) - к центру цилиндрической части гидроциклона при движении очищаемой воды снизу-вверх по спирали, обеспечивая увеличение глубины извле чения из объема очищаемой воды диспергированных нефтепродуктов.

Использование в качестве фильтрующих наполнителей термически закаленных металлических, стеклянных или керамических шариков с высокими олеофильными свойствами, размещенных в кассете и в объеме днища, корпуса позволяет обеспечить процессы ортокинетической коагуляции, коалесценции отдельных частиц нефтепродуктов и исключает необходимость периодической замены фильтрующего материала, обеспечивая стабильную во времени очистку и возможность периодической очистки наполнителя от механических взвесей продувкой его объема воздухом в направлении снизувверх с последующей доочисткой чистой воды в том же направлении.

Наклон вниз винтовой направляющей гидроциклона позволяет отбрасываемой механической взвеси со стенок цилиндрической части попадать в конусную часть-грязесборник.

Присоединение гидроциклона к корпусу с помощью радиальных вертикальных ребер позволяет за счет снижения температуры фильтрующей среды (нефтепродукт-вода) уменьшить вторичную эмульгацию отсепарированных нефтепродуктов, как следствие уменьшить гидравлическое сопротивление, повысить очистную способность, а также позволяет в условиях качки корабля исключить влияние наклона сепаратора в любой плоскости на толщину слоя гранулированного фильтрующего наполнителя, через который барботируется доочищаемая вода, что обеспечиает стабильность очистной способности сепаратора.

Наличие в сепараторе камеры дренажа, снятия избыточного давления, образованной диском с отверстиями, над которыми установлены колпачково-проволочные фильтры, и днищем, позволяет исключить попадание гранулированного наполнителя в предохранительный клапан и в систему дренажа при их работе, а также позволяет установить антикоррозийную защиту.

Применение сборного коллектора очищенной воды в виде разветвленной системы горизонтальных труб с нижними вертикальными ответвлениями, на конце которых закреплены колпачково-проволочные фильтры, позволяет значительно уменьшить вес сепаратора и его габариты по высоте, а также решить проблему равномерного взрыхления воздухом и промывки чистой водой всего объема гранулированного наполнителя при его регенерации.

Заявляемые конструктивные особенности сепаратора в их совокупности обеспечивают минимальные массогабаритные характеристики устройства и практически полную очистку воды от нефтепродуктов.

Очищаемая вода, поступив через входной патрубок, трубу в сопло патрубка гидроциклона по касательной к окружности ци линдрической части и пройдя через винтовую направляющую, получает мощное вращательное движение, двигаясь снизу-вверх, образует поле центробежных сил,в котором вода и механические взвеси отбрасываются к внутренней поверхности цилиндрической трубы, нефтепродукт вытесняется к центру цилиндрической части гидроциклона и в виде вращающегося жгута под действием сил всплытия и вытеснения попадает в верхнюю часть гравитационного отстойника-нефтесборника, при этом мелкодисперсная часть нефтепродукта коагулирует и коалесцирует, механические взвеси, укрупняясь и накапливаясь на стенке гидроциклона, сооскальзывают вниз, попадая в коническую часть гидроциклона - грязесборник, а поток воды, не пересекаясь со жгутом нефтепродукта, попадает в нижнюю часть гравитационнго отстойниканефтесборника.

Из-за резкого увеличения площади сечения потока скорость вращения воды и нефтепродукта после выхода из гидроциклона резко падает в гравитационном отстойнике-нефтесборнике, нефтепродукт, всплывая, накапливается в верхней части гравитационного отстойниканефтесборника, медленно вращаясь под крышкой сепаратора, коагулируя и коалесцируя при этом, а значительно очищенная вода, медленно вращаясь в нижней части нефтесборника в строго ламинарном режиме, фильтруется сверхувниз через гранулы крупной фракции кассеты и колпачково-проволочные фильтры, нефтепродукты по мере их накопления выводятся из нефтесборника через патрубок.

Доочистка воды от мелко дисперсной фазы нефтепродуктов и металла осуществляется в процессе её фильтрации через каналы между гранулами фильтрующего материала, представляющего собой термически закаленные шарики из металла, стекла, керамики с наведенными олеофильными свойствами, обусловленными термическим перенапряжением их поверхности, сначала в кассете с шариками крупной фракции, а затем в объёме корпуса с гранулами наполнителя мелкой фракции после второго гравитационного отстойника.

При фильтрации доочищаемой воды через каналы между гранулами наполнителя кассеты, при скоростях, отвечающих строго ламинизированному режиму течения, когда скорость всплытия частиц нефтепродукта выше скорости истечения воды, дисперсные частицы нефтепродуктов, переходя в последовотельно расположенные поры, притягиваются к поверхности шариков, смачивая их, а затем растекаются на их поверхности с увеличением плёнки до определённых размеров. Перекрытия поровых каналов нефтепродуктами предотвращает прочное соединение молекул и мелкодисперсных частиц с гранулами наполнителя и обеспечивает барботаж очищаемой воды через фильтрующий слой, представляющий собой естественно поддержи ваемые фазы: гранулы наполнителя- нефтепродукт.

При превышении насыщенности поровых каналов нефтепродуктами избыточная масса его за счет возрастания перепада давления и сил всплытия с поверхности гранул в виде отдельных капель грушевидной формы, которые сливаясь между собой в процессе коалесценции, выводятся из объёма гранулированного наполнителя с последующим их выделением из объёма доочищаемой воды в гравитационном отстойнике под действием сил Архимеда (за счет разности плотностей разделяемых сред).

Часть мелкодисперсного нефтепродукта, вынесенная потоком воды из кассеты попадает во второй гравитационный отстойник, а затем в строго ламинарном режиме сверху-вниз фильтруется через поровые каналы между гранулами наполнителя мелкой фракции корпуса сепаратора, притягивается к поверхности шариков, смачивает их, барботирует, увеличивается до определенных размеров, всплывает, попадая в кассету, а затем в нефтесборник.

Очищенная от нефтепродуктов вода, опускаясь до днища сепаратора через колпачковопроволочные фильтры сборного коллектора очищенной воды, удаляется из сепаратора через патрубок.

При заполнении корпуса сепаратора очищаемой водой и при попадании в процессе эксплуатации в корпус воздуха его удаление производится через автоматический воздушный клапан, размещённый в крышке сепаратора.

Для предотвращения разрыва корпуса сепаратора, при превышении установленного предела давления нагнетания насосного агрегата в нижней части днища к патрубку камеры дренажа, снятия избыточного давления присоединён предохранительный клапан, при этом диск с колпачково-проволочными фильтрами предотвращает унос гранул наполнителя из корпуса сепаратора.

С целью снижения коррозийного износа корпуса сепаратора и его металлоконструкций из-за электрохимической коррозии в днище, в камере дренажа, снятия избыточного давления установлено устройство защиты, например, пальчиковый протектор.

Применение радиальных вертикальных ребер крепления гидроциклона к корпусу сепаратора позволяет осуществлять отвод тепла от фильтруемой среды в металлоконструкцию сепаратора и как следствие избежать вторичной эмульгации уже отсепарированных нефтепродуктов.

В присутствии синтетических природных поверхностно-активных веществ или дозактиваторов для исключения эмульгации дисперсной фазы нефтепродуктов в объём исходной воды дозируют коагулянт концентрацией до 100 мг/л.

На фиг. 1 представлен общий вид сепаратора, фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1, вид сверху, фиг. 3 - сечение Б-Б, вид сверху, фиг. 4 - сечение В-В фиг. 1, вид сверху, фиг. 5 сечение С-С фиг.1, вид сверху, фиг. 6-общий вид с сечением колпачково-проволочного фильтра, фиг. 7 - сечение Г-Г фиг. 1, вид сверху.

Устройство содержит корпус 1, гидроциклон 2 с радиальными вертикальными ребрами 3 (фиг. 3, 4) крепления его к корпусу, кассету 4 с крупным гранулированным термонапряженным наполнителем 5, снабженную в верхней части сеткой 6 или перфорированным продольными щелями диском, а в нижней части - перфорированным в определенной последовательности крупными отверстиями диском, над которыми закреплены колпачково - проволочные фильтры 7, гравитационный отстойник 8, крышку 9 с термодатчиком 10 и патрубками удаления от сепарированного нефтепродукта 11 и удаления продуктов регенерации 12, воздушным клапаном 13, горловиной датчика верхнего и нижнего уровня границ раздела сред «нефтепродуктвода» 14, гравитационный отстойник-нефтесборник 15.

Мелкая фракция гранулированного наполнителя 16 размещена в объёме сферического днища и корпуса до 0,8 его высоты.

Гидроциклон 2 имеет цилиндрическую часть 17 с размещенной в ней винтовой направляющей 18 и патрубком-соплом 19, соединенным трубой 20 с патрубком подвода очищаемой воды 21 и конусную часть 22, соединенную трубой 23 с патрубком 24 удаления грязи из гидроциклона. В сферическом днище 25 с лапами 26 крепления сепаратора фундамента размещены камера дренажа, сброса избыточного давления 27 с диском 28, с которым соединены колпачково-проволочные фильтры 29, сборный коллектор 30 очищенной воды, представляющей собой разветвленную в горизонтальной плоскости систему соединенных между собой труб, от которых вниз отходят трубы, на конце каждой из которых закреплен колпачково-проволочный фильтр 31, состоящий из цилиндрического колпачка 32 с продольными щелями 33 на цилиндрической поверхности и нарезанной сверху резьбой с шагом, равным 4/5 - 5/6 диаметра шарика гранулированного наполнителя 16, в канавках которой навита проволока 34, исключающая вымывание гранулированного наполнителя 16 потоком воды и продувочным воздухом, очищенная вода удаляется из сепаратора через патрубок 35.

Устройство имеет патрубок дренажа 36, обеспечивающий осушение сепаратора патрубок 37 предохранительного клапана.

Для защиты корпуса и внутренних металлоконструкций сепаратора, не покрытых плёнкой нефтепродукта, от электрохимической коррозии в процессе эксплуатации в камере дренажа, снятия избыточного давления 27 установлено устройство защиты 38. В сепараторе имеется также патрубок 39 подачи продувочного возду002306 ха и промывочной воды, патрубки 40 подачи промывочной воды в трубы удаления грязи и подачи очищаемой воды гидроциклона.

Устройство работает следующим образом.

Очищаемая вода, предварительно нагретая до определенной температуры малоэмульгирующим насосом, через патрубок 21, трубу 20, патрубок-сопло 19 по касательной к окружности цилиндрической части 17 подается в винтовую направляющую 18 гидроциклона 2, закрепленного в корпусе 1 с помощью радиальных ребер 3, и закручиваясь по спирали снизувверх создает поле центробежных сил, при этом воздух из внутренней полости сепаратора удаляется автоматически через воздушный клапан 13 в атмосферу. В результате действия центробежных сил вода и механические взвеси отбрасываются на цилиндрическую поверхность гидроциклона, а нефтепродукт оттесняется к центру вращения и в виде вращающегося жгута под действием сил всплытия и вытеснения попадает в верхнюю часть гравитационного отстойниканефтесборника 15, при этом механические взвеси, укрупняясь, соскальзывают по стенке в конусную часть - грязесборник 22 гидроциклона, а вода, значительно очищенная от нефтепродукта, не пересекаясь с потоком нефтепродукта, поступает в нижнюю часть гравитационного отстойника-нефтесборника 15.

В поле центробежных сил гидроциклона 2 и в объёме гравитационного отстойниканефтесборника 15 крупно- и мелкодисперсные частицы нефтепродукта коагулируют и коалесцируют и по мере их накопления в нефтесборнике выводятся через патрубок 11.

После выхода из трубы гидроциклона 2, за счет изменения площади сечения потока, в гравитационном отстойнике-нефтесборнике 15 происходит резкое уменьшение скорости вращения потока и вода, медленно вращаясь в нижней части гравитационного отстойника 15 в строго ламинизированном режиме, фильтруется через поровые каналы кассеты 4 с крупным гранулированным наполнителем закрытой сверху сеткой или диском 6, перфорированного продольными щелями, исключающим вымывание шариков наполнителя при рециркуляции воды, а снизу закрытой перфорированным в определенной последовательности крупными отверстиями диском, над которыми установлены колпачковопроволочные фильтры 7. При фильтрации доочищаемой воды через поровые каналы между гранулами наполнителя мелкодисперсная фаза нефтепродукта притягивается к поверхности шариков, смачивает, растекается по их поверхности с увеличением пленки до определенных размеров и барботируется.

После превышения насыщенности поровых каналов нефтепродуктами избыточная масса их, за счет сил всплытия и возрастания перепада давления, срывается с поверхности гранул в виде отдельных капель грушевидной формы, которые сливаясь между собой в процессе коалесценции и коагуляции выводятся из объёма гранулированного наполнителя с последующим их выделением из объёма доочищаемой воды в гравитационный отстойник-нефтесборник 15.

Значительно очищенная вода после кассеты 4 в строго ламинизированном режиме течения сверху-вниз поступает во второй гравитационный отстойник 8, а затем фильтруется через поровые каналы между отдельными гранулами мелкой фракции наполнителя 16 корпуса 1 сепаратора и его днища 25 с процессом, описанным выше.

При фильтрации через мелкий гранулированный наполнитель 16 вода охлаждается, отдавая тепло корпусу 1 через радиальные ребра 3 и непосредственно корпусу, при этом вязкость нефтепродукта повышается и исключается вторичная эмульгация отсепарированных продуктов.

Освобождаясь от нефтепродуктов в кассете, гранулированном наполнителе мелкой фракции корпуса и днища, вода поступает через колпачково-проволочные фильтры 31 в сборный коллектор очищенной воды 30 и выводится из него через патрубок 35.

Изобретение обеспечивает остаточную концентрацию нефтепродуктов в очищенной воде до 0,05 млн. при допустимом значении 15 млн. согласно требованиям МЕРС 60/33 ИМО, позволяя производить сброс очищенной воды в акватории портов, территориальных вод, в реки и озера.

Claims (4)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Нефтеводяной центробежно-фильтрующий сепаратор, содержащий корпус с днищем и крышкой с воздушным клапаном и патрубками, кассету, размещенную в верхней части корпуса, гранулированный наполнитель в виде термически закаленных шариков, расположенный во внутреннем объёме корпуса, днища и кассеты, верхний гравитационный отстойникнефтесборник, нижний гравитационный отстойник, патрубки подвода очищаемой воды, подачи промывочной воды и продувочного воздуха и патрубки удаления грязи, отличающийся тем, что в него введены гидроциклон и сборный коллектор очищенной воды, при этом гидроциклон выполнен в виде соединенных между собой цилиндрической и конусной частей, расположен вдоль вертикальной оси корпуса и закреплен на нем посредством вертикальных радиальных ребер, с цилиндрической частью гидроциклона по касательной к окружности соединен патрубок подачи очищаемой воды, выполненный в виде сопла, который связан с винтовой направляющей, закрепленной внутри цилиндрической части гидроциклона в районе патрубка подачи очищаемой воды, конусная часть гидроциклона соединена с патрубком удаления грязи, сборный коллектор очищенной воды выполнен в виде разветвленной в горизонтальной плоскости системы взаимосвязанных труб с вертикальными, расположенными в определенной последовательности отрезками труб, на нижнем конце каждого из которых установлен фильтр, причем кассета выполнена в виде цилиндра с отверстием в центре и снабжена верхним и нижним дисками, верхний диск выполнен перфорированным продольными щелями или в виде сетки, а нижний перфорированным в определенном порядке крупными отверстиями, над которыми установлены фильтры, внутренний объём кассеты на 0,8 - 0,9 высоты заполнен наполнителем крупной фракции, а в днище расположена камера дренажа и снятия избыточного давления, образованная диском с отверстиями, в которых установлены колпачково-проволочные или колпачково-щелевые фильтры, и нижней частью днища, причем в камере дренажа и снятия избы точного давления установлено устройство защиты от коррозии.
2. 2. Нефтеводяной центробежно-фильтру- ющий сепаратор по п. 1, отличающийся тем, что фильтры отрезков труб сборного коллектора и нижнего диска кассеты выполнены или колпачково-проволочными, или колпачковощелевыми, или конусно-щелевыми.
3. 3. Нефтеводяной центробежно-фильтрующий сепаратор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что колпачково-проволочный фильтр выполнен в виде колпачка с продольными щелями и резьбой на цилиндрической поверхности, в канавках которой на расстоянии 4/5-5/6 диаметра шарика гранулированного наполнителя намотана проволока.
4. 4. Нефтеводяной центробежно-фильтрующий сепаратор по пп.1-3, отличающийся тем, что шарики гранулированного наполнителя выполнены из металла, стекла или керамики.