Спосіб відділення нафтопродуктів з водонафтових сумішей

Винахід належить до техніки поділу сумішей і може бути використаний в галузях техніки, де потрібно розділяти воду і нафтопродукти. Відомо про такий спосіб відділення нафтопродуктів з води, як фільтрування, суть якого складається в затримці нафтових частинок (НЧ) шаром фільтрувальних матеріалів визначеної товщини при проходженні через нього водонафтової суміші (ВНС). Процес фільтрації заснований на адгезії НЧ до поверхні пор фільтрувального матеріалу і на затримці зважених у воді частинок. Умови взаємодії НЧ із матеріалом завантаження фільтра в основному визначаються змочуванням її дисперсною фазою. Усякий фільтрувальний матеріал повинен володіти добре розвиненою об'ємною перовою поверхнею, здатною забезпечити високе поглинання включень. НЧ, які затримуються на завантаженні, поступово обволікають його елементи нафтовою плівкою і подальший контакт їх відбувається саме з останньою. Величина адгезії НЧ до завантаження визначається силами міжмолекулярного притягання. З огляду на те, що теоретичне обґрунтування процесу фільтрування емульсій на сьогодні розроблене недостатньо повно через складність фізико-хімічних явищ, які діють у завантаженні фільтрів, зрозумілі і труднощі їхнього математичного опису. При розрахунку апаратурного оформлення, необхідного для реалізації даного способу, використовують в основному експериментальні дані і досвід роботи аналогічних очисних установок і споруджень. Приймаючи до уваги різномаїття властивостей ВНС і завантажувальних матеріалів фільтрів, зрозуміло, що останні в даний час працюють далеко не на оптимальних режимах і, природно, не забезпечують максимально можливої ефективності (Курганов А.Н., Федоров Н.Ф. Справочник по расчетам систем водоснабжения и канализации. - Изд. 2-е перераб. и доп. - Л.: Строиздат, Л-д отделение, 1978 - 424с.). Відомо також про спосіб очищення ВНС за допомогою коалесценції при фільтруванні емульсії через різні пористі матеріали (ПМ). У цьому випадку призначення фільтрувального шару принципово змінюється. При звичайному фільтруванні він виконує функцію утримуючого середовища, а у фільтр увальну коалесціюючему завантаженні - укрупнення дрібнодисперсних емульгованих НЧ у більш великі НЧ. Процес коалесценції являє собою укрупнення НЧ за рахунок їхнього злиття. При цьому утворюються краплі нафтопродуктів значних розмірів (до 5...7мм) і виділення Їх з потоку у відповідний нафтовий збірник не являє собою труднощів. Результатом є зниження стійкості дисперсної системи та й руйнування. Фізичною основою процесу е переміщення крапель нафтопродукту в потоці до коалесціюючої стінки під дією масової сили, що виникає через плин уздовж криволінійної поверхні, а також наступне злиття дрібнодисперсних НЧ у більш великі краплі на матеріалі завантаження і всплиття їх під дією архімедової сили. Теоретично і експериментальне спосіб поділу водонафтових емульсій за допомогою пристроїв з фільтрувальнокоалесціюючим завантаженням (коалесціюючими фільтрами) досліджений у значно меншій мері, ніж інші способи. Відсутні коректні методики розрахунку і проектування коалесціюючих фільтрів. Не виявлено низку факторів, що впливають на процеси, які діють в них, у результаті чо го наведені в літературі дані часто суперечливі, а висновки недостатньо обгрунтовані (Роев Г.А., Юфин В.А. Очистка сточных вод и вторичное использование нефтепродуктов. М.: 1987 г, С. 119). Однак, не дивлячись на зазначені недоліки, описаний спосіб прийнятий за прототип тому, що ні в якому іншому відомому способі очищення ВНС, крім коалесценції НЧ при фільтруванні через ПМ, не реалізується відділення фазової складової ВНС, (нафтопродуктів) шля хом укрупнення дрібнодисперсних НЧ і надання їм здатності самостійно осаджуватися в нафтозбірник за рахунок архімедової сили. Таким чином, спосіб виділення нафтопродуктів із ВНС, що включає коалесценцію НЧ при фільтруванні через ПМ і надання їм здатності самостійно осаджуватися в нафтозбірник за рахунок архімедової сили, прийнятий за прототип. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення способу відділення нафтопродуктів із ВНС, у якому завдяки створенню умов для більш якісної реалізації процесу коалесценції при обробці ВНС на фільтрувально-коалесціюючих ПМ, забезпечується підвищення ефективності поділу компонентів суміші і за рахунок цього поліпшується якість очищення води від нафтопродуктів. Поставлена задача вирішується тим, що в способі відділення нафтопродуктів з водонафтових сумішей, що включає коалесценцію НЧ при фільтруванні через ПМ і надання їм здатності самостійно осаджуватися в нафтозбірник за рахунок архімедової сили відповідно до винаходу встановлюють параметри поділу ВНС, що відповідають оптимальним значенням характеристик процесу коалесценції у фільтрувальнокоалесціюючих ПМ, а як характеристику оптимальних умов коалесценції приймають безрозмірний критерій c³ L2 × Dr × q × R 2 ³ 0,14 . D r × Д3 × (1 + t2 / t1 ) э Необхідна умова оптимальної коалесценції в перових каналах ПМ визначається нерівністю L U0 £ , (1) ( t1 + t 2 ) де U0 - осьова швидкість руху нафтопродукту у поровому каналі ПМ, м/с; L - довжина порового каналу ПМ, м; t1 - час всплиття краплі нафтопродукту до прибічної зони порового каналу ПМ, з відповідної x=y/R=0,3; t2 - час коалесценції, с. Нерівність (1) обмежує осьову швидкість руху ВНС у поровому каналі до величини, при якій за час гравітаційного всплиття краплі нафтопродукту (t=t1+t2) вона не залишить порового каналу довжиною L. Величина t1 визначається інтегруванням диференціального рівняння всплиття крапель нафтопродукту і може бути визначена за формулою: A1 A2 -A t × t1 » Де + 1 × (1 - e 2 1 ) (2 ) A2 A2 2 де Де - еквівалентний діаметр порового каналу, м; A1 Dr × q 9× m = ; A2 = . A2 rн 2 × R 2 × rн На підставі (2) визначимо вираження для A1 Dr × q × 2 × R 2 = ; A2 9× m A1 4 × Dr × q × rн × R 4 = . (3 ) A2 81× m2 З розгляду (3) випливає, що А1 /А2 являє швидкість гравітаційного всплиття краплі, що визначається за формулою Стокса (Средства очистки жидкостей на судах: Справочник / Под общей ред. И.А. Иванова - Л.: Судостроение, 1984. - 241 с.). Проведені розрахунки величини A1/A2 , для діапазону температур ВНС Т(0°, 10°, 20°, 30°, 40°) і радіуса НЧ R (1...10...10мкм) свідчать, що величини А1/А2 дуже малі, а значення А2 великі, що дає підставу спростити залежність (2) з урахуванням (3) та подати його у вигляді: Dr × q × 2 × R2 × t1 » Де , 9× m звідси можна визначити t1: Де t1 » , c (4 ) Vmax де Vmax=A1 /A2 - швидкість гравітаційного всплиття краплі ВНС. Час коалесценції t2 у залежності (1) можна визначити за формулою (Роев Г.А., Юфин В.А. Очистка сточных вод и вторичное использование нефтепродуктов. М.: 1987г, с. 119): m × Dr × q × R5 æ 1 1 ö t2 = × ç 2 - 2 ÷, c (5) 2 çy ÷ 4s è 0 y1 ø де σ - коефіцієнт поверхневого натягу плівки рідини, Н/м; у0 - критична товщина плівки, м; у1 - початкова товщина плівки, м. У розглянутому випадку в якості у1 прийнято значення координати у, для якої х=у1/R=0,3. Отже, y1=0,3R. Перетворимо залежність (1) до: L L × Vmax U0 £ = , t1(1+ t 2 / t 1) Де (1+ t 2 / t1) або з урахуванням залежності для Vmax, отримаємо L × Dr × q × 2 × R2 , ( 6) Де × 9 × m × (1 + t 2 / t1) у залежності (6) величина t2/t1 у знаменнику визначається за формулами (4), (5). Величину t2 можна також визначити шляхом чисельного інтегрування рівняння динаміки краплі ВНС у поровому каналі на другому е тапі всплиття. Відомо, що осьова швидкість U0 руху рідини в капілярах циліндричної форми визначається за формулою Пуазейля (Аэров М.Э., Тодес О.М., Наринский Д.А. Аппараты со стационарным зернистым слоем: Гидравлические и тепловые основы роботи. - Л.: Химия, 1979. - 176с.) U0 £ Dr × Д 2 е , (7) 32L × m де Δρ перепад тиску, кПа: L - довжина циліндричного капіляра, дорівнює довжині коалесціюючого каналу ПМ, м; Де - діаметр капіляра, дорівнює еквівалентному діаметру пори ПМ. Підставивши (7) у залежність (6), одержимо U0 £ Dr × Д 2 L × Dr × q × 2 × R2 е £ , 32L × m Де × 9 × m × (1 + t 2 / t 1) звідки після перетворення отримаємо нерівність: L2 × Dr × q × R 2 9 ³ , ( 8) Dr × Д 3 × (1 + t 2 / t1) 64 е Залежність (8) характеризує необхідні умови оптимальної коалесценції в порових каналах. Вона містить основні параметри ПМ (L, Де), характеристики ВНС (Δρ, R) і гідравлічний показник потоку ВНС - перепад тиску Δρ на ПМ і, о тже, може бути використаною для визначення оптимальних параметрів. З аналізу залежності (8) випливає, що умови оптимальної коалесценції найпростіше реалізувати для відносно товсти х матриць, більш великих крапель ВНС, більш високої температури Т° ВНС, малих еквівалентних діаметрів Де і перепадів тиску Δρ. Ліва частина (8) представляє безрозмірний параметр, позначимо його через c і назвемо його безрозмірним критерієм умов коалесценції в порових каналах ПМ: c³ L2 × D r × q × R 2 (9 ) D r × Д3 × (1 + t 2 / t1 ) е Відповідно до (8) і (9) умови коалесценції будуть оптимальними, якщо виконується нерівність 9 c³ ³ 0,14 (10) 64 Використовуючи залежність (10) можна визначити, наприклад, оптимальні довжини коалесціюючих порових каналів ПМ, що будуть задовольняти нерівності: L опт ³ 2 8 Dr × Д3 × (1 + t 2 / t1) е Dr × q × R 2 . (11) Дані розрахунків за формулою (11) свідчать, що при Де=100мкм, R=10мкм, Dr = 0,3кПа ; Т=273К; Lопт=1250мм, (для фільтрів з поліпропілену), а для тих же параметрів при Т=313К; Lопт=400мм. З урахуванням коефіцієнта звивистості перових каналів товщина ПМ може значно зменшуватися. Спосіб відділення нафтопродуктів з ВНС здійснюють так. НЧ, які транспортуються водою, у перовому просторі ПМ, наближаються до поверхні пори. При цьому, плівка води між ними стає тонкішою і розривається. На місці розриву НЧ стикається з поверхнею пори і розтікається по ній. Наступні НЧ будуть коалесціювати вже з поверхнею шару нафтопродукту, який утримується на ПМ, з можливим утворенням порівняно великої краплі. А, якщо при цьому забезпечені умови для її виділення в нафтозбірник, мета буде досягнута, тобто частина нафтопродукту виділена з води. Обробка ВНС, котра потрапила в перовий простір ПМ, поліпшується за оптимальної організації контакту НЧ, які знаходяться в потоці рідини, з поверхнею перових каналів, їх осадженням на ній і утворенням більш великих крапель, що одержують здатність надалі видалятися з потоку самостійно за рахунок архімедової сили. Характеризує ці умови безрозмірний критерій L2 × Dr × q × R 2 c³ ³ 0,14. D r × Д3 × (1 + t 2 / t 1) е оптимальної коалесценції Саме при такому його значенні забезпечуються оптимальні для реалізації коалесценції і швидкісний режим течії для потоку ВНС у порах П М, який дозволяє усім НЧ, що знаходяться у порах досягти їх прибічних зон і скоалесціювати на їх стінках, і геометричні параметри елементів ПМ, завдяки чому досягається інтенсифікація процесу коалесценції дрібнодисперсних НЧ. Отже, створення умов для більш якісної реалізації процесу коалесценції при обробці ВНС на фільтувально - коалесціюючих ПМ, забезпечує підвищення ефективності поділу компонентів суміші.